[發明專利]基于LED臺燈照明的自由曲面透鏡構造方法

在審

• 申請號: 201410672094.7
• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN104317053A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 羅元;張毅;毛建偉;李述洲;王興龍
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G06F17/50;F21V5/04;F21Y101/02
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 劉小紅

技術領域

本發明涉及一種LED臺燈照明的自由曲面透鏡，應用于LED臺燈的光源為大功率LED，通過自由曲面透鏡可以提高光源發出光線的有效利用率和照度均勻度，屬于LED照明應用技術領域。

背景技術

LED臺燈就是用LED(Light?Emitting?Diode)作為光源的臺燈。LED臺燈適用于閱讀、書寫、批閱等辦公室或學習照明場所，保證工作區域具有良好的視覺環境，以提高辦公和學習的效率。如果照明區域的照度及其均勻度較差，會使人們的視覺容易疲勞，而影響工作效率和視力，所以應特別注重照明的質量。與傳統的光源相比，LED照明具有節能、環保、壽命長、安全、體積小等顯著優點。隨著大功率LED的光效提升，功率型LED的光效已近達到100lm/W至161lm/W，利用LED作為臺燈的照明光源成為可能。

LED作為臺燈的光源具有很大潛能，因為其使用直流而無閃頻，且為高效照明光源。但是，LED在沒有合理的配光情況下，照射到目標面的光斑會出現中間過亮，而四周變暗的不均勻照明情況。這就需要設計光學器件來對LED臺燈光源配光。設計光學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構的設計，而如果使用后者，LED光源本身及其散熱結構對反射光線存在遮擋而影響光線在照明區域的照射分布。故設計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。

發明內容

針對以上現有技術中的不足，本發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，本發明的技術方案如下：一種基于LED臺燈照明的自由曲面透鏡構造方法，其包括以下步驟：

101、以LED光源為三維坐標系的坐標原點，建立三維坐標系，并測量LED光源到目標照明面的垂直距離為h，LED光源外部圍成自由曲面透鏡，假設透鏡自由曲面上的坐標為其中θ為光線在xoy面上投影與x軸正方向的夾角，為光線與z軸正方向的夾角，是當角度為時，a點到原點的距離；目標照明面上的點b(x,y,z)，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為n，空氣折射率設為1；

102、設LED臺燈的透鏡自由曲面母線l，將三維空間簡化為二維空間xoz或yoz，在二維空間xoz或yoz平面上來求解該透鏡母線l，，，此時θ為k為0,1,2……；

103、取k為0，θ為0，二維空間為xoz，建立向量關系，由斯涅爾Snell折射定律列出向量關系方程；

104、根據LED光源輻射通量與目標明接收到的光通量相等列出方程，然后根據目標照明面上的半徑為d的圓形光斑的照度均勻即E相等，LED光源選為朗伯體，其在角方向的光強為可得以下方程，

故可知，

得方程，

105、采用用數值法求解步驟104中的微分方程采用龍格-庫塔法進行離散求解得到的一系列數值ρ₁,ρ₂,...ρ_N；

106、步驟105求解得到的一系列數值ρ₁,ρ₂,...ρ_N，即為透鏡的自由曲面母線l上的點到原點的距離，將母線l上的點轉換為直角坐標為，

107、將得到透鏡的自由曲面母線l數據導入建模軟件，再將其繞中心軸旋轉可得到透鏡的自由曲面，即為LED臺燈自由曲面透鏡。

進一步的，步驟105中的龍格-庫塔法在區間上用四個點的斜率加權平均作為平均斜率的近似值，這樣構成四階經典龍格-庫塔公式，

其中，n＝0,1,2,...N-1，ρ(0)＝ρ₀，可以求得ρ₁,ρ₂,...ρ_N。

本發明的優點及有益效果如下：

本發明中，所述LED臺燈的光源位于坐標原點，緊接著的為透鏡。照明目標面形成照度均勻的圓形光斑，所以透鏡可認為是旋轉對稱，其對稱軸經過LED光源和圓形光斑的中心點。因為透鏡是旋轉對稱的，所以將求解三維空間自由曲面可以簡化為二維空間中求透鏡的自由曲面母線，簡化了設計方法。

本發明將自由曲面透鏡應用LED臺燈照明，能提高LED臺燈的光線的有效利用率，通過方程來求解曲面，可以更精確控制光線在照明目標區域的分配，能夠提高照明目標區域的照度及其均勻度。

附圖說明

圖1是LED臺燈光源、透鏡自由曲面、目標照明面三維示意圖；