[发明专利]LED光源的非成像光学定向配光方法

说明书

技术领域

本发明属于非成像光学配光技术领域，具体涉及一种LED光源的非成像光学定向配光方法。

背景技术

路灯、隧道灯等功能性照明灯具，要求照明范围内每一点的照度都必须满足照明规范要求的最低照度指标、最高眩光要求指标、光强均匀度指标以及光照区域限制要求，对产品的可靠性及节能、环保性能等要求也很高。为了提高照明效果，保护人眼睛的健康，必须利用灯具进行光学系统照明配光，即在一个给定的道路位置和给定的路面区域内，由灯光照射形成一个照度均匀的光场，照射到给定区域之外的光被视为无效光。

传统照明灯具的配光主要是依靠反射杯对光线进行反射分配，将光线控制在合理的规定区域内，并提高光强的均匀度。这种通过反射进行光强分配的方法，其主要缺点是光能损失大、耗电量大。

常见LED光源的封装如图1所示。其光强分布E与出光角θ′的余弦成正比，LED光源101所发出的光线在被照表面上所形成的照度E随出射角θ′的增大而迅速衰减。LED光源101可看作是一种180度角度出光的具有朗伯(Lambertian)特性光源，光强分布是中心强、周边减弱，如图2所示。如果不对LED光源的特性进行二次光学设计，这样的光强分布很难满足功能照明用途的需求，大量无效光的存在不仅使光能损失大，也大大地降低了照明效果。以下是现有的LED路灯灯具最大光强处圆锥面光强分布曲线分析：

图3为实测的240W对称型无适当配光LED路灯的配光曲线，其显示有相当一部分光能泄漏到有效区域框102以外。结果表明无效光大大地降低了照明效果。为实现照明要求，只能将光源出功率提高至240W，造成能源浪费。

图4为实测的150W蝶型配光LED路灯的配光曲线。其显示结果表明照明的均匀度很差，沿照射面有眩光，照射区域内有盲区。

LED光源一般分为单光源和多光源二类。

现有多光源LED照明灯具，其配光是通过调整众多光源的安装角度对光强进行直射分配，形成的照明灯具是模组型的。多光源灯具不仅重量重，而且产生了多重影，限制了功率扩展和使用范围，尤其对车辆和行人是严重的安全隐患。

现有单光源LED照明灯具，其配光主要是模仿传统灯具，依靠反射杯对光线进行反射分配。由于朗伯(Lambertian)特性的存在，反光杯可以反射的光线很少，无法从根本上改善LED光源光强分布中心强、周边减弱的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED光源的非成像光学定向配光方法，其解决了现有技术无法从根本上改善LED光源的朗伯特性，从而不能实现定向配光，导致配光均匀度差、光效低的技术问题。

本发明的技术方案如下：

本发明利用光线从光密物质到光疏物质的折射现象，来克服LED光源的朗伯特性，即光强分布中心强、周边减弱的特性。本发明通过定向折射非成像配光透镜对LED光源的能量进行重新分配，对LED光源所发出的光进行整形、改变，以实现光能的充分利用和光强分布的定向控制，使LED点光源变为透镜表面均匀的面光源。其实现步骤如下：

(1)根据光场光斑的设计要求确定LED光线经配光透镜后出射光的方向，由此可得LED光经配光透镜后的出射角θ₄；

(2)选定LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂以及LED光线经配光透镜后的出射介质折射率N₃；使LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁、经配光透镜后的出射角θ₄以及入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂、出射介质折射率N₃满足下列函数关系：

θ₁＝f(N₁、N₂、N₃、θ₄)，

具体为θ₄＝sin^-1(N₂sin(θ-sin^-1(N₁sinθ/N₂)/N₃))，得到LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁；

(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角θ、LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁满足关系：θ＝θ₁；得到配光透镜入射面与出射面的夹角θ，由此可确定配光透镜的入射面与出射面；