基于led臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡構(gòu)造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種LED臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡構(gòu)造方法，該方法將求LED臺(tái)燈自由曲面透鏡從三維空間簡(jiǎn)化為在二維空間求該透鏡自由曲面的母線l，以LED臺(tái)燈的光源為原點(diǎn)建立坐標(biāo)，根據(jù)Snell定律聯(lián)系入射、出射光線矢量和法線矢量之間的關(guān)系建立方程；LED臺(tái)燈光源輻射通量與目標(biāo)照明面接收到的光通量相等可列出方程，在計(jì)算中目標(biāo)照明面上形成的光斑為均勻圓形光斑，故照度E相等，這樣就可以建立目標(biāo)照明面上已知坐標(biāo)和透鏡自由曲面坐標(biāo)的關(guān)系。根據(jù)已知目標(biāo)面上的坐標(biāo)，數(shù)值法迭代求解出透鏡自由曲面的母線l，將其數(shù)據(jù)擬合、繞軸旋轉(zhuǎn)得到自由曲面并封閉實(shí)體化為透鏡。本發(fā)明提高了光線的有效利用率和照度均勻度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于LED臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡構(gòu)造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種LED臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡，應(yīng)用于LED臺(tái)燈的光源為大功率 LED，通過(guò)自由曲面透鏡可以提高光源發(fā)出光線的有效利用率和照度均勻度，屬于LED照明 應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]LED臺(tái)燈就是用LED(LightEmittingDiode)作為光源的臺(tái)燈。LED臺(tái)燈適用于 閱讀、書(shū)寫(xiě)、批閱等辦公室或?qū)W習(xí)照明場(chǎng)所，保證工作區(qū)域具有良好的視覺(jué)環(huán)境，以提高辦 公和學(xué)習(xí)的效率。如果照明區(qū)域的照度及其均勻度較差，會(huì)使人們的視覺(jué)容易疲勞，而影響 工作效率和視力，所以應(yīng)特別注重照明的質(zhì)量。與傳統(tǒng)的光源相比，LED照明具有節(jié)能、環(huán) 保、壽命長(zhǎng)、安全、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著大功率LED的光效提升，功率型LED的光效已近 達(dá)到1001m/W至1611m/W，利用LED作為臺(tái)燈的照明光源成為可能。
[0003]LED作為臺(tái)燈的光源具有很大潛能，因?yàn)槠涫褂弥绷鞫鵁o(wú)閃頻，且為高效照明光 源。但是，LED在沒(méi)有合理的配光情況下，照射到目標(biāo)面的光斑會(huì)出現(xiàn)中間過(guò)亮，而四周變暗 的不均勻照明情況。這就需要設(shè)計(jì)光學(xué)器件來(lái)對(duì)LED臺(tái)燈光源配光。設(shè)計(jì)光學(xué)器件包括透 鏡和反光器，由于前者有利于LED光源的安裝和散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而如果使用后者，LED光 源本身及其散熱結(jié)構(gòu)對(duì)反射光線存在遮擋而影響光線在照明區(qū)域的照射分布。故設(shè)計(jì)高效 的自由曲面透鏡，使其具有較好控制出射光角度和較好的照度及其均勻度水平。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種光線利用率高，被照明 的照度均勻的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于LED臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡構(gòu)造方法， 其包括以下步驟：
[0005] 101、以LED光源為三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，并測(cè)量LED光源到目 標(biāo)照明面的垂直距離為h，LED光源外部圍成自由曲面透鏡，假設(shè)透鏡自由曲面上的坐標(biāo)為 3.(θ,φ,ρ(θ，φ))，其中Θ為光線在XOy面上投影與X軸正方向的夾角，φ為光線與z軸正方 向的夾角，Ρ(θ，φ)是當(dāng)角度為(θ,φ)時(shí)，a點(diǎn)到原點(diǎn)的距離；目標(biāo)照明面上的點(diǎn)b(X，y，ζ)，出 射光線、入射光線的單位矢量分別為Out、In以及切平面法向矢量為N，自由曲面透鏡折射 率設(shè)為n，空氣折射率設(shè)為1;
[0006] 102、設(shè)LED臺(tái)燈的透鏡自由曲面母線1，將三維空間簡(jiǎn)化為二維空間XOZ或yoz， 在二維空間XOZ或yoz平面上來(lái)求解該透鏡母線1，，，此時(shí)Θ為·|π，k為0, 1，2......;
[0007] 103、取k為0，Θ為〇,二維空間為xoz，建立向量關(guān)系，由斯涅爾Snell折射定律 列出向量關(guān)系方程；
[0008] 104、根據(jù)LED光源輻射通量與目標(biāo)明接收到的光通量相等列出方程，然后根據(jù)目 標(biāo)照明面上的半徑為d的圓形光斑的照度均勻即E相等，LED光源選為朗伯體，其在φ角方 向的光強(qiáng)為=A1c〇s(p，可得以下方程，

【權(quán)利要求】
1.一種基于LED臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡構(gòu)造方法，其特征在于：包括以下步驟： 101、 以LED光源為三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，并測(cè)量LED光源到目標(biāo) 照明面的垂直距離為h，LED光源外部圍成自由曲面透鏡，假設(shè)透鏡自由曲面上的坐標(biāo)為 3.(θ,φ,ρ(0，φ))，艽中Θ為光線在XOy面上投影與X軸正方向的夾角，φ為光線與z軸正方 向的夾角，Ρ(θ,φ)是當(dāng)角度為(θ，φ)時(shí)，a點(diǎn)到原點(diǎn)的距離；目標(biāo)照明面上的點(diǎn)b(x，y，ζ)，出 射光線、入射光線的單位矢量分別為Out、In以及切平面法向矢量為N，自由曲面透鏡折射 率設(shè)為n，空氣折射率設(shè)為1; 102、 設(shè)LED臺(tái)燈的透鏡自由曲面母線1，將三維空間簡(jiǎn)化為二維空間xoz或yoz，在二 維空間xoz或yoz平面上來(lái)求解該透鏡母線1，，，此時(shí)Θ為，k為0, 1，2......; 103、 取k為0，Θ為〇,二維空間為xoz，建立向量關(guān)系，由斯涅爾Snell折射定律列出 向量關(guān)系方程； 104、 根據(jù)LED光源輻射通量與目標(biāo)明接收到的光通量相等列出方程，然后根據(jù)目標(biāo)照 明面上的半徑為d的圓形光斑的照度均勻即E相等，LED光源選為朗伯體，其在9角方向的 光強(qiáng)為Z(V) =A,c〇s(p，可得以下方程，
sirup. 故可知，-d sm(pmax 得方程，^',(P(tP)A) 9 105、 采用用數(shù)值法求解步驟104中的微分方程# =/(ρ(ψ)，φ)，采用龍格-庫(kù)塔法進(jìn) αφ 行離散求解得到的一系列數(shù)值PUP2, ...PΝ ; 106、 步驟105求解得到的一系列數(shù)值Pi，P2,...PΝ，即為透鏡的自由曲面母線1上的 點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，將母線1上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)為，
107、 將得到透鏡的自由曲面母線1數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件，再將其繞中心軸旋轉(zhuǎn)可得到透 鏡的自由曲面，即為L(zhǎng)ED臺(tái)燈自由曲面透鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LED臺(tái)燈照明的自由曲面透鏡構(gòu)造方法，其特征在于： 步驟105中的龍格-庫(kù)塔法在區(qū)間[φ",φ"+1]上用四個(gè)點(diǎn)的斜率加權(quán)平均作為平均斜率的近 似值，這樣構(gòu)成四階經(jīng)典龍格-庫(kù)塔公式，
其中，η= 0, 1，2, · · ·N-l，P(O) =P。，可以求得P η P2, · · ·PN。
【文檔編號(hào)】F21V5/04GK104317053SQ201410672094
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】羅元, 張毅, 毛建偉, 李述洲, 王興龍 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)