專利名稱：采用自由曲面透鏡及反射器的led配光系統(tǒng)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非成像光學及照明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
由點光源(如LED)通過透鏡及反射器使之形成特定的符合照明需要的光斑，這是照明界的經(jīng)典問題。而近幾十年非成像光學的逐漸發(fā)展則開始能解決這一問題。H. Ries等科學家研究了 Tailoring (裁剪法)，國內(nèi)研究者也有相關(guān)專利及論文闡述了如何設(shè)計自由曲面透鏡，然而對于如何有效地對LED全方位角度進行配光設(shè)計，則沒有相關(guān)的研究及報道。而單單采用透鏡或反射器無法對LED的光能量進行最優(yōu)化的配光，從而導致效率低下。以下以道路照明、隧道照明舉例說明這一問題。 在道路照明、隧道照明等大功率LED燈具應(yīng)用中，由于燈具需要防塵、防水等功能，因此，常采用“整體式”燈具的方式，即全部LED器件放置在一個密封的空間中。具體做法是LED焊接在鋁基板上，鋁基板通過導熱膠粘貼在帶有散熱鰭片的鋁制燈殼上，LED的前端有配光透鏡或反射鏡。在透鏡的前邊有防水透明外罩。這樣做法有如下缺點I.所有LED放置在鋁制燈殼與透明防水外罩形成的密封腔內(nèi)，密封性靠防水膠實現(xiàn)，這樣，任何一個LED失效后，維修將及其困難，特別是現(xiàn)場無法維修。2.用于配光的透鏡或反射鏡本身至少10%以上的光學損耗，防水透明外罩也有10%以上的光學損耗。因此，燈具的光學效率只能低于80%。3.采用內(nèi)表面為自由曲面、外表面是平面進行配光，可以形成外表面為統(tǒng)一平面的配光透鏡陣列，該透鏡陣列可以實現(xiàn)配光的同時實現(xiàn)模組的防水防塵功能。但該方法只能對LED發(fā)出的與其光軸成一定角度(常為60度)以內(nèi)的光線調(diào)整方向，對大于該角度的光線無法進行調(diào)整方向。因此，不能獲得高的光學效率。因此，本發(fā)明正是針對如何對全立體角進行配光給出了一個具體的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種針對點光源(如LED)全立體角的光能量進行合理配光的設(shè)計方法，主要采用透鏡及反射器相結(jié)合的設(shè)計方法。采用此方法的原因在于單單采用透鏡或反射器有其局限性，主要在于當目標光斑對應(yīng)光源的立體角過大或過小時，由折射定律及能量對應(yīng)關(guān)系得到的自由曲面的數(shù)據(jù)點會出現(xiàn)較嚴重的離散，導致透鏡或反射器尺寸過大，在一定情況下，甚至無法得到希望的透鏡及反射器。例如一個透鏡采用內(nèi)表面為自由曲面、外表面是平面進行配光，可以形成外表面為統(tǒng)一平面的配光透鏡，但該方法只能對LED發(fā)出的與其光軸成一定角度以內(nèi)的光線調(diào)整方向，對大于該角度的光線無法進行調(diào)整方向。因此，不能獲得高的光學效率。本發(fā)明采用透鏡與反射器結(jié)合的方法，可實現(xiàn)各種配光要求且高效率。本發(fā)明的主旨思想是將光源發(fā)出的光分塊設(shè)計，從而使配光效率最優(yōu)化。本發(fā)明給出的方法可以應(yīng)用于多種具體產(chǎn)品如LED礦燈、LED隧道燈、LED路燈、LED汽車燈、LED機場等燈、LED醫(yī)用手術(shù)燈、LED牙科燈等等各種LED產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供有一種采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法，將LED發(fā)出的光線分為兩個部分，區(qū)分根據(jù)是按光線與LED光軸的夾角Φ來劃分；在0°彡Φ < Φ。時，光線經(jīng)過自由曲面透鏡折射后出射；在Φ。彡Φ彡90°時，光線經(jīng)過反射器反射后出射，也可以經(jīng)過反射器反射再經(jīng)過一般透鏡或者自由曲面透鏡出射。進一步，該采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的(K取50。 70°。進一步，該采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法的具體步驟如下(I)對Φ1，即0°彡Φ < Φ。部分的光線的配光設(shè)計為經(jīng)透鏡折射出射，首先設(shè)定LED在這個角度范圍的空間能量分布與經(jīng)過透鏡折射后的出射光能量分布的對應(yīng)關(guān)系， 根據(jù)設(shè)定的對應(yīng)關(guān)系建立能量方程；(2)然后對小2，即小。彡(^彡90°部分的光線進行配光設(shè)計，采用反射器進行配光，首先設(shè)定光源在這個角度范圍的空間能量分布與經(jīng)過反射器反射后的出射光能量分布的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的對應(yīng)關(guān)系建立能量方程，具體對應(yīng)關(guān)系有兩種形式以兩極為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開的輻射對應(yīng)形式與以赤道某一點為中心按其經(jīng)線與緯線的自然劃分進行的網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系，具體方程如下對于以兩極為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開的輻射對應(yīng)形式，表達式如下
= Ψ\θ, 1 (0ut^o + Α(Ρ^θο + φ θ其中，/(石砍妁)為光源空間能量分布，/(%(奶內(nèi))為光強函數(shù)，表示經(jīng)反射后的
出射光能量分布，+ΔζΖ ,^) +Δ0))為出射光線(外+ A#。+Δ0)的光強，Sinp為立體
角的轉(zhuǎn)換因子，左式表示入射光線與初始入射光線之間所包圍的光通量，右式表示出射光線與初始出射光線之間所包圍的光通量；對于以赤道某一點為中心按其經(jīng)線與緯線的自然劃分進行的網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系，表達式為
Dnll-Θ /~ \.^x0+Ax ^z0+Az (一\
I、Ιη(θ，φ) Jd Θ (sin <pd φ) = J J ￡^(尤0 + Δχ, ζ0 + Az)jdxdz￡p(x,ζ))為某目標面得照度分布函數(shù)，初始入射光線(Θ，Ji/2)對應(yīng)該光線在接
受屏或觀測屏上的初始位置(X(l，y(l)，iip(xQ+Ax,zQ+Az))為出射光線在接受屏(Χ(Ι+ΛΧ，Z0+Δζ)位置上的照度；(3)對于折射率公式[I + / 2-2 (OMi*/ )]1/2iV = Owi-/ // , η = I 時為反射率公式，
由此建立入射光矢量與經(jīng)反射器部分反射后的出射光矢量的關(guān)系方程，以光源為原點，令一垂直I軸的位于J0處的目標照明面上點t的坐標用直角坐標系表示，對反射器反射面上一點P的坐標用球坐標表示，7為由原點指向t點的矢量，為由原點指向P點的矢量，假設(shè)反射器情況是一由外表面作為反射面并且反射的光直接入射到目標面，則可得t點直角坐標用P點表達的表達式
,
權(quán)利要求
1.一種采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，將LED發(fā)出的光線分為兩個部分，區(qū)分根據(jù)是按光線與LED光軸的夾角Φ來劃分；在0° < φ < (K時，光線經(jīng)過自由曲面透鏡折射后出射；在Φ <90°時，光線經(jīng)過反射器反射后出射，也可以經(jīng)過反射器反射再經(jīng)過一般透鏡或者自由曲面透鏡出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，所述的Φ。取50° 70°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于具體步驟如下 (1)對Φ1，即0°^ Φ < (K部分的光線的配光設(shè)計為經(jīng)透鏡折射出射，首先設(shè)定LED在這個角度范圍的空間能量分布與經(jīng)過透鏡折射后的出射光能量分布的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的對應(yīng)關(guān)系建立能量方程； (2)然后對Φ2，即CtciSΦ <90°部分的光線進行配光設(shè)計，采用反射器進行配光，首先設(shè)定光源在這個角度范圍的空間能量分布與經(jīng)過反射器反射后的出射光能量分布的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的對應(yīng)關(guān)系建立能量方程，具體對應(yīng)關(guān)系有兩種形式以兩極為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開的輻射對應(yīng)形式與以赤道某一點為中心按其經(jīng)線與緯線的自然劃分進行的網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系，具體方程如下 對于以兩極為中心在不同的經(jīng)度向低緯度逐漸展開的輻射對應(yīng)形式，表達式如下
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，光學系統(tǒng)透鏡部分是內(nèi)表面為自由曲面，外表面為平面的形式或是外表面為自由曲面，內(nèi)表面為平面、柱面、球面、曲面的形式。
5.一種LED配光系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的步驟(I)、(2)、(3)、(5)以及(6)而獲得，所述LED配光系統(tǒng)是這樣的形式反射器與透鏡分離，反射器為一物體的外表面且反射面鍍反射膜，透鏡為自由曲面透鏡，LED發(fā)出的光線的OS Φ < (K部分經(jīng)過自由曲面透鏡折射后直接進入目標面，Φ <90部分經(jīng)反射器反射后直接入射到目標面上，LED置于反射器中軸線或附近，透鏡中心也位于反射器中軸線或附近，多個這種LED配光系統(tǒng)同時使用時，透鏡與反射器分別做成透鏡陣列與反射器陣列。
6.一種LED配光系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的步驟(I)、(2)、(3)、(4)-a、(5)以及(6)而獲得，所述LED配光系統(tǒng)是這樣的形式反射器與透鏡分離，反射器為一物體外表面且反射面鍍反射膜，透鏡中間部分為自由曲面，外圍是薄平面，LED發(fā)出的光的O彡Φ < Φ。部分經(jīng)過透鏡的自由曲面部分直接進入目標面，Φ0^ Φ <90部分經(jīng)過反射器反射再經(jīng)透鏡薄平面部分折射后入射到目標面上，LED置于反射器中軸線或附近，透鏡中心也位于反射器中軸線或附近，多個這種LED配光系統(tǒng)同時使用時，透鏡與反射器分別做成透鏡陣列與反射器陣列。
7.—種LED配光系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的步驟(I)、(2)、(3)、(4)-b、(5)以及(6)而獲得，所述LED配光系統(tǒng)是這樣的形式反射器與透鏡分離，反射器為一物體外表面且反射面鍍反射膜，透鏡為自由曲面透鏡，LED發(fā)出的光的OS Φ < (K部分經(jīng)過透鏡折射直接進入目標面，Φ0^ Φ <90部分經(jīng)過反射器反射再經(jīng)透鏡折射后入射到目標面上，LED置于反射器中軸線或附近，透鏡中心也位于反射器中軸線或附近，多個這種LED配光系統(tǒng)同時使用時，透鏡與反射器分別做成透鏡陣列與反射器陣列。
8.—種LED配光系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的步驟(I)、(2)、(3)、(4)-C, (5)以及(6)而獲得，所述LED配光系統(tǒng)是這樣的形式，反射器部分與透鏡部分為一體化設(shè)計，反射面為某一物體的內(nèi)表面，即采用全反射的方式進行反射器設(shè)計，透鏡為自由曲面透鏡，LED發(fā)出的光的OS Φ < (K部分經(jīng)過透鏡直接進入目標面，Φ0^ Φ <90部分第一次到達該一體化光學件的界面后折射，之后到達作為全反射面的界面，在該界面全反射，再到達最后一個界面并折射到目標面上，LED置于全反射界面中軸線或附近，多個這種LED配光系統(tǒng)同時使用時，該透鏡與反射器的一體化結(jié)構(gòu)做成陣列。
9.一種LED配光系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的步驟(I)、(2)、(3)、(4)-d、(5)以及(6)而獲得，所述LED配光系統(tǒng)是這樣的形式，反射器與透鏡分離，即反射面為某一物體的內(nèi)表面，采用全反射的方式進行反射器設(shè)計，透鏡中間部分為自由曲面外圍是薄平面，LED發(fā)出的光的OS Φ < (^部分經(jīng)過透鏡直接進入目標面，Φ <90部分第一次到達反射器的界面，折射后到達作為全反射面的界面，在該界面全反射后經(jīng)過透鏡的薄平面部分折射后到達目標面上，LED置于全反射界面中軸線或附近，多個這種LED配光系統(tǒng)同時使用時，透鏡與反射器分別做成透鏡陣列與反射器陣列。
10.一種LED配光系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法中的步驟(I)、(2)、(3)、(4)-e、(5)以及(6)而獲得，所述LED配光系統(tǒng)是這樣的形式，反射器與透鏡分離，即反射面為某一物體的內(nèi)表面，采用全反射的方式進行反射器設(shè)計，透鏡為自由曲面，LED發(fā)出的光的OS Φ < 部分經(jīng)過透鏡直接進入目標面，Φ <90部分第一次到達反射器的界面，折射后到達作為全反射面的界面，在該界面全反射后經(jīng)過反射器的另一界面折射逸出反射器，到達透鏡，經(jīng)過透鏡折射后到達目標面上，LED置于全反射界面中軸線或附近，多個這種LED配光系統(tǒng)同時使用時，透鏡與反射器可分別做成透鏡陣列與反射器陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求4-10中任意一項所述的LED配光系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡部分是內(nèi)表面為自由曲面，外表面為平面的形式或是外表面為自由曲面，內(nèi)表面為平面、柱面、球面、曲面的形式。
12.根據(jù)權(quán)利要求4-10中任意一項所述的LED配光系統(tǒng)，其特征在于，在陣列化使用時，所述透鏡的優(yōu)選方案是外表面為平面，內(nèi)表面為自由曲面。
13.—種LED封裝的一次光學系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-3所述的采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法所獲得的LED配光系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明包括采用自由曲面透鏡及反射器的LED配光系統(tǒng)及其設(shè)計方法，根據(jù)該方法獲得的LED配光系統(tǒng)，以及LED封裝的一次光學系統(tǒng)。LED配光系統(tǒng)設(shè)計方法將LED發(fā)出的光分為兩個部分，區(qū)分根據(jù)是按光線與LED光軸的夾角φ來劃分；在0°≤φ＜φ0時，光線經(jīng)過自由曲面透鏡折射后出射；在φ0≤φ≤90°時，光線經(jīng)過反射器反射后出射，也可以經(jīng)過反射器反射再經(jīng)過一般透鏡或者自由曲面透鏡出射。本發(fā)明能夠根據(jù)需要快速的自動生成透鏡及反射器模型，只要更改已知條件即可；克服了單純利用反射器時無法把2π立體角內(nèi)的光能都加以利用的缺點，能量利用率高；克服了單純利用透鏡時因折射角度限制而產(chǎn)生的配光困難，理論上能對任意角度的光線進行任意角度變換的配光。
文檔編號F21Y101/02GK102829439SQ20111016299
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者劉木清, 陶鑫 申請人:劉木清