[发明专利]一种用于户外LED照明的自由曲面透镜结构设计方法

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种用于户外LED照明的自由曲面透镜结构设计方法，属于LED照明应用技术领域。

背景技术

自20世纪60年代第一个半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)诞生以来，以其冷发光、寿命长、快速启动、高效节能等优点，在照明技术领域得到了快速发展和广泛应用，被认为是第四代照明光源的最佳候选。近几年，白光LED在发光效率方面有显著的提高(超过100lm/w)，并开始在道路照明方面得到应用。然而，由于LED光源发出的光线呈郎伯分布(Lambertian distribution)，即光源在距离路面一定高度且垂直于路面照射时，只能在路面上形成一个较小的圆形光斑，亮度由圆心向外急剧降低并且光照均匀性低，所以没有经过配光设计的LED路灯，路面投射效果为大面积的圆形光斑，造成约50％的光散落到要求范围之外，光能利用率较低。此外，还会产生眩光效应，影响道路安全，不符合道路照明要求。因此需要加以二次光学设计，使其在路面上形成一个接近矩形的较大的均匀光斑，因为只有矩形光斑才能在路面上实现无缝连接，均匀照满整条道路，达到最佳照明效果。

实践证明，对LED光源进行的二次光学设计可以实现光能的合理分配，1974年，施鲁本(Schruben)设计出使LED光源投射出均匀分布的圆形光斑的自由曲面反光器，2002年，哈拉尔德里斯(HaraldRies)设计出使LED投射出OEC字样的自由曲面透镜。因此，对LED路灯进行合理的二次光学设计，能够提高其光能利用率，并且减小眩光效应对道路使用者的危害，使LED路灯更符合道路照明的要求。由于以计算机为工具的LED照明设计能够使繁琐重复的计算变得简单、快捷，并且能够有效结合照明设计软件进行三维直观的仿真设计以及相应的光效分析，这就大大提高了设计的速度和准确性，降低了设计成本。因此，将科学的设计思想与计算机模拟相结合成为LED照明设计的主流方法。

因此，为了达到均匀矩形光斑的投射效果，本发明提出了一种基于“线微元投影法”的LED路灯用二次光学透镜中自由曲面透镜的结构设计方法。

发明内容

1、目的：针对以上技术背景，本发明的目的是提供一种用于户外LED照明的自由曲面透镜结构设计方法，它首先由计算机模拟，通过分析其能量分布特点建立LED发光模型；然后，以特定透射光斑的形状、尺寸以及LED灯具的安装与分布特点为变量，确定由光源出射的原始透射光线与调制后光线的对应关系，建立数学模型；最后，结合实际工程要求，采用数学模拟软件求解相关方程组，得到面型空间分布点坐标数据，从而拟合出满足工程要求的二次配光透镜的自由曲面。

2、技术方案：为实现上述的目的，本发明一种用于户外LED照明的自由曲面透镜结构设计方法，通过以下步骤实现：

步骤一：LED光源分析

根据实际测量的数据对比分析，单颗LED颗粒可视作余弦发光体进行研究。发光强度空间分布如下所示：

dE＝A×cosθ         (1)

其中θ为球心到球面上该点连线的矢量和光源所在平面的法线的夹角，A为发光面在法线方向的发光强度(图1)，E为与法线成任意角度θ方向的发光强度。dE为发光强度向量，即光源的空间能量密度分布。

步骤二：发光模型建立

为了实现路面光强的均匀分布，本发明提出“线微元投影法”，将球面能量以其顶点为中心，以线微元为单位进行均匀划分，其中每条线微元上光通量分布均等；将每一个线微元能量带作为研究对象，根据需求调制出射光线并构建数学映射计算模型；通过计算入射光线与出射光线的对应关系，得到参与该部分折射的曲面上点的空间坐标；以此类推，通过对每一条线微元进行相同的处理；最终可获得所有曲面上点的空间坐标，进而拟合出满足配光要求的自由曲面。具体实现过程如下：

首先，根据能量球面与预期光斑面之间的拓扑关系，可以在能量面与光斑面之间建立一一映射的投影关系。投影关系的划分，直接决定了出射光线的方向，从而决定了自由曲面的面型。理论上，只要能够实现出射光线的能量均匀分布在预期光斑范围内，即能够符合要求，所以，每一种存在的映射关系就决定了一种曲面构型。但是，由于LED出射光线相对于自由曲面的入射角大小对透过率有很大影响，主要表现为入射角越小，透过率越高，从而光能利用率越高。为了尽可能提高光能利用率，就需要减小入射角的角度，所以，在满足均匀照明的前提下，最小范围内改变光线的折射角度。