[發(fā)明專利]一種改善LED路燈照明的設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310671568.1
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103629601A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈偉華;劉莎;刁永青;張宇;朱琳
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西烽火佰鴻光電科技有限公司
• 主分類號: F21S8/00
• 分類號: F21S8/00;F21W131/103;F21Y101/02
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于照明工程應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種改善LED路燈照明的設(shè)計(jì)方法，主要作用于二次配光透鏡。

背景技術(shù)

近年來，隨著LED芯片、封裝和燈具研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新，LED照明已經(jīng)深入國民生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域，比如路燈、室內(nèi)燈具、車燈、景觀燈等。市場的廣闊前景必然帶來需求的多樣化：在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要為LED光源設(shè)計(jì)特定的透鏡來滿足照明要求，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，編號為CJJ45-2006的要求，路燈照明面應(yīng)為矩形，照度適當(dāng)，均勻度高，無眩光，照明區(qū)域外應(yīng)無光污染。

由于LED光源近似余弦朗伯體發(fā)光，若直接照在路面上會形成圓形光斑，這樣既存在部分光能損失，配光效果也較差。對此，前人采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，即把透鏡用在非成像光學(xué)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)透鏡的方法主要是憑借設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用光學(xué)軟件對透鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、微調(diào)、優(yōu)化，雖然有一定改善，但其設(shè)計(jì)過程耗時(shí)費(fèi)力。

近年來，根據(jù)自由曲面所設(shè)計(jì)的透鏡的面型得到業(yè)界的青睞，但由于目前LED發(fā)光的光強(qiáng)和角度分布與系統(tǒng)的后續(xù)器件不匹配使得大量的能量不能被合理利用，效率降低，使LED失去了自身優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種改善LED路燈照明的設(shè)計(jì)方法，本方法首先通過對所選LED光源進(jìn)行分析，根據(jù)燈芯廠家提供的光線文件，采用光學(xué)軟件（Light?tools）進(jìn)行模擬，或者采用光學(xué)測量儀器（積分球或LED光強(qiáng)分布測試儀）進(jìn)行測量，準(zhǔn)確分析其光學(xué)特性，并且根據(jù)設(shè)計(jì)需求，合理組建光路圖結(jié)構(gòu)，結(jié)合光學(xué)基本原理，根據(jù)需求，列相應(yīng)方程，利用Matlab軟件編程求解，得到一組所需透鏡面型的離散點(diǎn)，導(dǎo)出Matlab軟件，轉(zhuǎn)換成Ibl格式，導(dǎo)入Pro/E三維建模軟件，利用逆向工程思想得到所設(shè)計(jì)透鏡的實(shí)體面型。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種改善LED路燈照明的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1）確定LED光源；

根據(jù)廠家提供的光線文件，采用光學(xué)軟件Lighttools進(jìn)行模擬，或者采用光學(xué)測量儀器進(jìn)行測量，準(zhǔn)確分析光強(qiáng)隨傳播方向的分布情況，為光源模型的建立提供依據(jù)；

2）建立LED光源與照射面之間的對應(yīng)關(guān)系；

將LED光源建模為半球形狀，并利用類似地球的經(jīng)線和緯線對半球進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)線和緯線將半球面劃分為若干個(gè)光通量相等的微元面；

以上述半球圓心為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，令半球中軸線方向?yàn)閆軸，令半球底面上相互垂直的兩個(gè)方向?yàn)閄,Y軸方向，令光線方向和半球中軸線的夾角為令X軸和光線在半球底面上投影的線段所夾的角為θ，那么芯片發(fā)出的光束都可以用來唯一表示，光線經(jīng)過透鏡中一點(diǎn)P發(fā)生折射，之后到達(dá)照射面一點(diǎn)G(x,y,z)，對于透鏡的自由曲面來說，入射光的單位方向向量可表示為I透鏡的自由曲面上點(diǎn)P的位置矢量可表示為其中ρ為LED光源沿方向到自由曲面的距離，所有要考慮的光線方向向量軌跡的末端就組成了自由曲面，出射單位向量為O，它可以由G點(diǎn)和P點(diǎn)的位置矢量相減獲得，即：

根據(jù)所建立的光源與光照面的對應(yīng)關(guān)系，建立起和G(x,y,z)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

當(dāng)0≤θ≤π/4時(shí)：

當(dāng)π/4≤θ≤π/2時(shí)：

將公式(3)和公式（4）代入公式（2），可得到光線經(jīng)過自由曲面之后出射方向矢量O；

3）根據(jù)步驟2）中測定的出射方向矢量O，設(shè)自由曲面上點(diǎn)P處的法向矢量為T，T等于經(jīng)過此點(diǎn)的在曲面上的兩條曲線切矢的叉乘，取這兩個(gè)矢量為ρ_θ和ρ_θ矢量方向和XSY平面平行，矢量在XOY平面上的投影過S點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算可以得到：

由于曲面法向矢量T方向和ρ_θ，方向是相垂直的，因此采用矢量叉乘即可獲得矢量T，結(jié)合公式（5）和公式（2）可得到矢量T；

結(jié)合斯涅耳定律：

n_o×O-n_I×I＝[n_o²+n_I²-2×n_o×n_I×(O·I)]^1/2×T??????(6)

建立起關(guān)于ρ,ρ_θ,的偏微分方程，利用數(shù)值方法對方程進(jìn)行求解，獲得自由曲面透鏡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，最終得到所設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡。