專利名稱：Led光源的非成像光學(xué)定向配光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非成像光學(xué)配光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種LED光源的非成 像光學(xué)定向配光方法。
背景技術(shù)：
路燈、隧道燈等功能性照明燈具，要求照明范圍內(nèi)每一點(diǎn)的照度都必須 滿足照明規(guī)范要求的最低照度指標(biāo)、最高眩光要求指標(biāo)、光強(qiáng)均勻度指標(biāo)以 及光照區(qū)域限制要求，對(duì)產(chǎn)品的可靠性及節(jié)能、環(huán)保性能等要求也很高。為 了提高照明效果，保護(hù)人眼睛的健康，必須利用燈具進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)照明配光， 即在一個(gè)給定的道路位置和給定的路面區(qū)域內(nèi)，由燈光照射形成一個(gè)照度均 勻的光場(chǎng)，照射到給定區(qū)域之外的光被視為無(wú)效光。
傳統(tǒng)照明燈具的配光主要是依靠反射杯對(duì)光線進(jìn)行反射分配，將光線控 制在合理的規(guī)定區(qū)域內(nèi)，并提高光強(qiáng)的均勻度。這種通過反射進(jìn)行光強(qiáng)分配 的方法，其主要缺點(diǎn)是光能損失大、耗電量大。
常見LED光源的封裝如圖1所示。其光強(qiáng)分布E與出光角6'的余弦成 正比，LED光源101所發(fā)出的光線在被照表面上所形成的照度E隨出射角e' 的增大而迅速衰減。LED光源101可看作是一種180度角度出光的具有朗伯 (Lambertian)特性光源，光強(qiáng)分布是中心強(qiáng)、周邊減弱，如圖2所示。如 果不對(duì)LED光源的特性進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，這樣的光強(qiáng)分布很難滿足功能 照明用途的需求，大量無(wú)效光的存在不僅使光能損失大，也大大地降低了照 明效果。以下是現(xiàn)有的LED路燈燈具最大光強(qiáng)處圓錐面光強(qiáng)分布曲線分析
圖3為實(shí)測(cè)的240W對(duì)稱型無(wú)適當(dāng)配光LED路燈的配光曲線，其顯示 有相當(dāng)一部分光能泄漏到有效區(qū)域框102以外。結(jié)果表明無(wú)效光大大地降低 了照明效果。為實(shí)現(xiàn)照明要求，只能將光源出功率提高至240W，造成能源 浪費(fèi)。
圖4為實(shí)測(cè)的150W蝶型配光LED路燈的配光曲線。其顯示結(jié)果表明 照明的均勻度很差，沿照射面有眩光，照射區(qū)域內(nèi)有盲區(qū)。LED光源一般分為單光源和多光源二類。
現(xiàn)有多光源LED照明燈具，其配光是通過調(diào)整眾多光源的安裝角度對(duì) 光強(qiáng)進(jìn)行直射分配，形成的照明燈具是模組型的。多光源燈具不僅重量重， 而且產(chǎn)生了多重影，限制了功率擴(kuò)展和使用范圍，尤其對(duì)車輛和行人是嚴(yán)重 的安全隱患。
現(xiàn)有單光源LED照明燈具，其配光主要是模仿傳統(tǒng)燈具，依靠反射杯 對(duì)光線進(jìn)行反射分配。由于朗伯(Lambertian)特性的存在，反光杯可以反 射的光線很少，無(wú)法從根本上改善LED光源光強(qiáng)分布中心強(qiáng)、周邊減弱的 特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種LED光源的非成像光學(xué)定向配光方法，其 解決了現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法從根本上改善LED光源的朗伯特性，從而不能實(shí)現(xiàn)定 向配光，導(dǎo)致配光均勻度差、光效低的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明利用光線從光密物質(zhì)到光疏物質(zhì)的折射現(xiàn)象，來(lái)克服LED光源 的朗伯特性，即光強(qiáng)分布中心強(qiáng)、周邊減弱的特性。本發(fā)明通過定向折射非 成像配光透鏡對(duì)LED光源的能量進(jìn)行重新分配，對(duì)LED光源所發(fā)出的光進(jìn) 行整形、改變，以實(shí)現(xiàn)光能的充分利用和光強(qiáng)分布的定向控制，使LED點(diǎn) 光源變?yōu)橥哥R表面均勻的面光源。其實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1) 根據(jù)光場(chǎng)光斑的設(shè)計(jì)耍求確定LED光線經(jīng)配光透鏡后出射光的方 向，由此可得LED光經(jīng)配光透鏡后的出射角e4;
(2) 選定LED光線入射至配光透鏡的入射介質(zhì)折射率配光透鏡折射 率N2以及LED光線經(jīng)配光透鏡后的出射介質(zhì)折射率N3;使LED光線入射 至配光透鏡的入射角9,、經(jīng)配光透鏡后的出射角64以及入射介質(zhì)折射率Nb 配光透鏡折射率N2、出射介質(zhì)折射率N3滿足下列函數(shù)關(guān)系
e':/(n,、 n2、 n3、 e4)，
具體為e4二sin"(N2sin(e-sin"(NiSine/N2)/N3))， 得到LED光線入射至配光透鏡的入射角e1;
(3) 使配光透鏡的入射面與出射面的夾角e、 LED光線入射至配光透鏡的入射角er滿足關(guān)系e=e1;得到配光透鏡入射面與出射面的夾角e，由此可 確定配光透鏡的入射面與出射面；
(4)使LED光線以入射角e,入射至配光透鏡，經(jīng)配光透鏡折射后，得到
LED定向光。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 收集光線角度大，能充分利用LED光源的光能，光效高，實(shí)現(xiàn)照明要 求所需要的功率小，因此可節(jié)能。
2. 可對(duì)LED光源的光強(qiáng)分布定向控制，使LED點(diǎn)光源變成透鏡表面均 勻的面光源，配光均勻度高，可實(shí)現(xiàn)精密光分布控制。
3. 改變了 LED光源的朗伯特性，使LED光源的光強(qiáng)分布隨著出射角度 增大的衰減較小，適用于各類功能性照明燈具，產(chǎn)品的可靠性卨。
4. 可以使照明范圍內(nèi)每一點(diǎn)的照度都完全滿足照明規(guī)范要求，即滿足最 低照度指標(biāo)、最高眩光要求指標(biāo)、光強(qiáng)均勻度指標(biāo)以及光照區(qū)域限制要求等。
5. 照射區(qū)域內(nèi)無(wú)盲區(qū)、無(wú)眩光，使用環(huán)保，利于人眼睛健康。
6. 實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，成本低。


圖1為現(xiàn)有常見LED光源的封裝方式。
圖2為L(zhǎng)ED光源等效為180。出光角的朗伯光源。
圖3為實(shí)測(cè)的現(xiàn)有240W對(duì)稱型無(wú)適當(dāng)配光LED路燈的配光曲線。
圖4為實(shí)測(cè)的現(xiàn)有150W蝶型配光LED路燈的配光曲線。
圖5是本發(fā)明的定向折射平面光學(xué)示意圖。
圖6是本發(fā)明配光透鏡定向散光折射示意圖。
圖7是本發(fā)明配光透鏡定向束光折射示意圖。
圖8是本發(fā)明配光透鏡定向帶狀折射示意圖。
圖9是用Pro/Engineer軟件所設(shè)計(jì)的本發(fā)明定向折射配光透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是現(xiàn)有的對(duì)稱型無(wú)適當(dāng)配光的LED路燈的LightTools軟件仿真圓 錐面光強(qiáng)圖。
圖11是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡的LED路燈的LightTools軟件仿真圓錐面光強(qiáng)圖。
圖12是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡的LED路燈的LightTools軟件仿
真配光曲線。
圖13是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡模擬仿真LED路燈的工程應(yīng)用示 意圖。
圖14是實(shí)測(cè)的使用本發(fā)明定向折射非成像光學(xué)配光透鏡的LED路燈的 光分布圖。
圖15是實(shí)測(cè)的使用本發(fā)明定向折射非成像光學(xué)配光透鏡的LED路燈的 配光曲線。
圖16是同功率、同光源、不同透鏡條件的LED路燈的對(duì)比圖。
圖17是實(shí)測(cè)150W使用本發(fā)明定向折射非成像光學(xué)配光透鏡的LED路
燈的配光曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明配光透鏡的定向折射原理
(1.1) 斯涅爾定律光入射到不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。其中 入射光和折射光位于同一個(gè)平面卜.，并且與界面法線的夾角滿足下列關(guān)系
斯涅爾公式Nmsin0m = Nnsinen，
其中，Nm和Nn分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率，0m和0n分別是入射角和折射角。
(1.2) 配光透鏡定向折射原理
如圖5所示，配光透鏡的入射介質(zhì)折射率N"配光透鏡折射率N2、 LED 光線經(jīng)配光透鏡后的出射介質(zhì)折射率N3; LED光線入射至配光透鏡的入射 角9i、射入配光透鏡后的折射角e2、出射至出射介質(zhì)的入射角e3、經(jīng)配光透
鏡后的出射角04;配光透鏡的入射面與出射面的夾角0。透鏡體203的折射 率^=1.56;透鏡體203的入射介質(zhì)、出射介質(zhì)均為空氣，則入射介質(zhì)折射 率N,=出射介質(zhì)折射率N3 = 1 。
當(dāng)LED光源的光線從空氣入射至透鏡體203時(shí)，N2〉N1;則e,〉02， 光線發(fā)生偏向法線的折射；當(dāng)光線從透鏡體203射入空氣中時(shí)，N2>N3，則
e4>e3，光線發(fā)生偏離法線的折射，其偏離法線，定向折射的角度為94。
6]S^sin9=N2sin62 sin02:N]sin0/ N2
92 = sin 乂N!sine" N2)二sin"(N,sin0/ N2)
93 = 01-92 = = 0- sin"(N!sin9/ N2) N3sin94=N2sin93
sin94 = N2sin03/ N3
e4 = sin-I(N2sine3/ N3) 即04 = sin-1(N2sin (e- sin"(N,sin0/ N2)/ N3)) 若 9二30。
貝'J94二sin一1 (L56sin (30。- sin.' (sin3071.56) ) ) = 18。
(1.3) 配光透鏡定向散光折射如圖6所示，可等效為180。出光角的朗伯 光源的LED光線穿過定向散光齒形透鏡后，光線會(huì)朝向和齒形垂直且偏離 中心的方向折射，由此可改變光場(chǎng)分布形狀，使折射方向光強(qiáng)提高，其他方 向光強(qiáng)減弱，還可進(jìn)行均勻散射光學(xué)處理。
(1.4) 配光透鏡定向束光折射如圖7所示，可等效為180。出光角的朗伯 光源的LED光線穿過定向束光齒形透鏡后，光線朝向和齒形垂直且向著中 心的方向折射，由此而改變光場(chǎng)分布形狀，使折射方向光強(qiáng)提高，其他方向 光強(qiáng)減弱，還可對(duì)照射至有效照明區(qū)域外的光進(jìn)行折射壓縮及光均勻處理。
(1.5) 配光透鏡帶狀定向散光折射如圖8所示，可等效為1S0。出光角的 朗伯光源的LED光線穿過齒形定向帶狀折射透鏡后，光線會(huì)朝向和齒形垂 直帶狀方向折射，使光場(chǎng)分布成帶狀形狀，在帶狀方向光強(qiáng)提高，其他方向 光強(qiáng)減弱，還可進(jìn)行光均勻處理。
本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1) 根據(jù)光場(chǎng)光斑的設(shè)計(jì)要求確定LED光線經(jīng)配光透鏡后出射光的方 向，由此可得LED光經(jīng)配光透鏡后的出射角e4。
(2) 選定LED光線入射至配光透鏡的入射介質(zhì)折射率Np配光透鏡折射 率N2以及LED光線經(jīng)配光透鏡后的出射介質(zhì)折射率N3;使LED光線入射 至配光透鏡的入射角e,、經(jīng)配光透鏡后的出射角e4以及入射介質(zhì)折射率N,、 配光透鏡折射率N2、出射介質(zhì)折射率N3滿足下列函數(shù)關(guān)系0f祟、n2、 n3、 e4)，
具體為04二sin"(N2sin(e畫sin—乂N'sin0/N2)/N3))，
得到LED光線入射至配光透鏡的入射角e。
(3) 使配光透鏡的入射面與出射面的夾角e、 LED光線入射至配光透鏡的
入射角A滿足關(guān)系e=er,得到配光透鏡入射面與出射面的夾角e，由此可 確定配光透鏡的入射面與出射面。
(4) 使LED光線以入射角e,入射至配光透鏡，經(jīng)配光透鏡折射后，得到 LED定向光。
本發(fā)明配光透鏡可采用玻璃材料、PC材料或PMMA材料等。玻璃材料 具有耐高溫、穿透率高等特點(diǎn)。PC材料即聚碳酸酯材料，PMMA材料即聚甲基 丙烯酸甲酯材料，此兩種材料不僅穿透率較高，容易實(shí)現(xiàn)非球面聚光，減少光斑 的黃暈斑現(xiàn)象，還可以使產(chǎn)品注塑成型，使生產(chǎn)成本較低。透鏡體203也可以采 用透明PS材料，即透明聚苯乙烯材料，俗稱透苯。
使用本發(fā)明定向折射非成像光學(xué)配光透鏡的模擬仿真照明燈具實(shí)例
利用本發(fā)明對(duì)不同方向的定向折射配光透鏡進(jìn)行組合，對(duì)LED光源的 投射光光強(qiáng)分布進(jìn)行配光，可使光強(qiáng)分布滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
圖9是用Pro/Engineer軟件設(shè)計(jì)的LED燈具定向折射配光透鏡，其光強(qiáng) 分布完全滿足道路照明光強(qiáng)分布的要求。根據(jù)道路形狀對(duì)路邊、屋邊以外無(wú) 用部分光強(qiáng)分布進(jìn)行折射壓縮，對(duì)道路沿伸方向的有用光強(qiáng)分布進(jìn)行折射增 強(qiáng)，同時(shí)進(jìn)行均勻散射光學(xué)處理。
圖10是現(xiàn)有的對(duì)稱型無(wú)適當(dāng)配光LED路燈LightTools軟件仿真圓錐面 光強(qiáng)圖，其形狀為對(duì)稱圓形，中心地帶光強(qiáng)很強(qiáng)；沿徑向遠(yuǎn)離圓心，光強(qiáng)以
余弦形迅速衰減。即大部分光通量照射到中心地帶，周邊光強(qiáng)很弱。
圖ll是使用木發(fā)明定向折射配光透鏡的LED路燈LightTools軟件仿真 圓錐面光強(qiáng)圖，其形狀近似為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)均勻，遠(yuǎn)離長(zhǎng)方形 中心向周邊的光強(qiáng)分布線性均勻。
圖12是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡LED路燈LightTools軟件仿真配 光曲線。
在實(shí)線所示的長(zhǎng)邊C。面，其光強(qiáng)40%時(shí)的出光角為C0 = (225+22.5)- (135-22.5)= 135。； 在虛線所示的短邊C卯面，其光強(qiáng)40°/。時(shí)的出光角為 C90 = 225-135 = 90。。
圖13是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡模擬仿真LED路燈的工程應(yīng)用
40%光強(qiáng)Q)方向(矩形長(zhǎng)邊)長(zhǎng)度
L = 2Hxtan(CV2) = 2Hxtan( 13 5。/2) = 4.42H;
40%光強(qiáng)C9。方向(矩形短邊)長(zhǎng)度
W = 2HxtanCG9()/2) = 2HxtanC卯。/" = 2H。
即當(dāng)滿足定向折射配光透鏡LED路燈LightTools軟件仿真配光曲線時(shí)， 路燈投射到路面的光強(qiáng)分布為近似矩形，矩形的長(zhǎng)Q)與寬Cw之比為2.41。
由圖14所示的光強(qiáng)分布圖以及圖15所示的配光曲線可見實(shí)測(cè)結(jié)果與 模擬仿真數(shù)據(jù)基本一致。其Co面40%光強(qiáng)光束角為133°，其Cw面40%光 強(qiáng)光束角為90。，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈光強(qiáng)分布的精密控制。
當(dāng)路燈桿高度為10m時(shí)，40y。光強(qiáng)路面分布矩形長(zhǎng)邊L(Q))及短邊(C9()) W為
L = 2Hxtan(C0/2) 二 2Hxtan( 133。/2) = 46(m) W=2Hxtan(C卯/2) = 2Hxtan(9072) = 20(m)
實(shí)例效果結(jié)論
如圖16所示，通過定向折射非成像配光透鏡對(duì)光的能量進(jìn)行重新分配，
對(duì)LED光源所發(fā)出的光進(jìn)行整形和改變，從而實(shí)現(xiàn)了光源能量的利用和光 強(qiáng)分布的定向控制。定向折射非成像光學(xué)配光透鏡，把LED光源的光線定 向成折射到了透鏡表面，使LED點(diǎn)光源改變成為透鏡表面均勻的面光源， 提高了光強(qiáng)分布均勻度；改變了 LED光源的朗伯特性，使LED路燈光強(qiáng)的 分布隨著出射角度增大的衰減較小；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、收集光線角度大、光能量 利用率高。
分析圖17所示的實(shí)測(cè)150W定向折射非成像光學(xué)配光透鏡LED路燈配 光曲線，結(jié)果是照明均勻度好，沿路面沒有眩光，照明效率高，實(shí)現(xiàn)照明 要求所需要的功率小。
9
權(quán)利要求
1.一種LED光源的非成像光學(xué)定向配光方法，其包括以下實(shí)現(xiàn)步驟(1)根據(jù)光場(chǎng)光斑的設(shè)計(jì)要求確定LED光線經(jīng)配光透鏡后出射光的方向，由此可得LED光經(jīng)配光透鏡后的出射角θ4；(2)選定LED光線入射至配光透鏡的入射介質(zhì)折射率N1、配光透鏡折射率N2以及LED光線經(jīng)配光透鏡后的出射介質(zhì)折射率N3；使LED光線入射至配光透鏡的入射角θ1、經(jīng)配光透鏡后的出射角θ4以及入射介質(zhì)折射率N1、配光透鏡折射率N2、出射介質(zhì)折射率N3滿足下列函數(shù)關(guān)系θ1＝f(N1、N2、N3、θ4)，得到LED光線入射至配光透鏡的入射角θ1；(3)使配光透鏡的入射面與出射面的夾角θ、LED光線入射至配光透鏡的入射角θ1滿足下列關(guān)系θ＝θ1，得到配光透鏡入射面與出射面的夾角θ，由此可確定配光透鏡的入射面與出射面；(4)使LED光線以入射角θ1入射至配光透鏡，經(jīng)配光透鏡折射后，得到LED定向光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源的非成像光學(xué)定向配光方法，其 特征在于所述的LED光線入射至配光透鏡的入射角0i、經(jīng)配光透鏡后 的出射角04以及入射介質(zhì)折射率N,、配光透鏡折射率N2、出射介質(zhì)折 射率N3滿足下列函數(shù)關(guān)系04二sin"(N2sin(e畫sin"(NiSin固2)/N3))。
全文摘要
一種LED光源的非成像光學(xué)定向配光方法，其根據(jù)光斑要求可確定LED光線經(jīng)配光透鏡后的出射角θ₄，選定LED光線的入射介質(zhì)折射率N₁、配光透鏡折射率N₂、出射介質(zhì)折射率N₃，則得到入射角θ₁＝f(N₁、N₂、N₃、θ₄)。以入射角θ₁為配光透鏡入射面與出射面的夾角θ，可得配光透鏡的入射面與出射面。使LED光線以入射角θ₁入射至配光透鏡，經(jīng)配光透鏡折射后得LED定向光。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法從根本上改善LED光源的朗伯特性，從而不能實(shí)現(xiàn)定向配光，導(dǎo)致配光均勻度差、光效低的技術(shù)問題?？蓪?duì)LED光源光強(qiáng)的分布定向控制，實(shí)現(xiàn)精密光分布控制，可靠性高，節(jié)能、環(huán)保。
文檔編號(hào)F21V5/04GK101566307SQ200910022409
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請(qǐng)人:西安智海電力科技有限公司