LED光源的非成像光学定向配光方法.pdf

一种LED光源的非成像光学定向配光方法，其根据光斑要求可确定LED光线经配光透镜后的出射角θ4，选定LED光线的入射介质折射率N1、配光透镜折射率N2、出射介质折射率N3，则得到入射角θ1＝f(N1、N2、N3、θ4)。以入射角θ1为配光透镜入射面与出射面的夹角θ，可得配光透镜的入射面与出射面。使LED光线以入射角θ1入射至配光透镜，经配光透镜折射后得LED定向光。本发明解决了现有技术无法从根本上改善LED光源的朗伯特性，从而不能实现定向配光，导致配光均匀度差、光效低的技术问题。可对LED光源光强的分布定向控制，实现精密光分布控制，可靠性高，节能、环保。

1.  一种LED光源的非成像光学定向配光方法，其包括以下实现步骤：
(1)根据光场光斑的设计要求确定LED光线经配光透镜后出射光的方向，由此可得LED光经配光透镜后的出射角θ₄；
(2)选定LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂以及LED光线经配光透镜后的出射介质折射率N₃；使LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁、经配光透镜后的出射角θ₄以及入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂、出射介质折射率N₃满足下列函数关系：
θ₁＝f(N₁、N₂、N₃、θ₄)，
得到LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁；
(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角θ、LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁满足下列关系：
θ＝θ₁，
得到配光透镜入射面与出射面的夹角θ，由此可确定配光透镜的入射面与出射面；
(4)使LED光线以入射角θ₁入射至配光透镜，经配光透镜折射后，得到LED定向光。

2.  根据权利要求1所述的LED光源的非成像光学定向配光方法，其特征在于：所述的LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁、经配光透镜后的出射角θ₄以及入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂、出射介质折射率N₃满足下列函数关系：
θ₄＝sin^-1(N₂sin(θ-sin^-1(N₁sinθ/N₂)/N₃))。

LED光源的非成像光学定向配光方法
技术领域
本发明属于非成像光学配光技术领域，具体涉及一种LED光源的非成像光学定向配光方法。
背景技术
路灯、隧道灯等功能性照明灯具，要求照明范围内每一点的照度都必须满足照明规范要求的最低照度指标、最高眩光要求指标、光强均匀度指标以及光照区域限制要求，对产品的可靠性及节能、环保性能等要求也很高。为了提高照明效果，保护人眼睛的健康，必须利用灯具进行光学系统照明配光，即在一个给定的道路位置和给定的路面区域内，由灯光照射形成一个照度均匀的光场，照射到给定区域之外的光被视为无效光。
传统照明灯具的配光主要是依靠反射杯对光线进行反射分配，将光线控制在合理的规定区域内，并提高光强的均匀度。这种通过反射进行光强分配的方法，其主要缺点是光能损失大、耗电量大。
常见LED光源的封装如图1所示。其光强分布E与出光角θ′的余弦成正比，LED光源101所发出的光线在被照表面上所形成的照度E随出射角θ′的增大而迅速衰减。LED光源101可看作是一种180度角度出光的具有朗伯(Lambertian)特性光源，光强分布是中心强、周边减弱，如图2所示。如果不对LED光源的特性进行二次光学设计，这样的光强分布很难满足功能照明用途的需求，大量无效光的存在不仅使光能损失大，也大大地降低了照明效果。以下是现有的LED路灯灯具最大光强处圆锥面光强分布曲线分析：
图3为实测的240W对称型无适当配光LED路灯的配光曲线，其显示有相当一部分光能泄漏到有效区域框102以外。结果表明无效光大大地降低了照明效果。为实现照明要求，只能将光源出功率提高至240W，造成能源浪费。
图4为实测的150W蝶型配光LED路灯的配光曲线。其显示结果表明照明的均匀度很差，沿照射面有眩光，照射区域内有盲区。
LED光源一般分为单光源和多光源二类。
现有多光源LED照明灯具，其配光是通过调整众多光源的安装角度对光强进行直射分配，形成的照明灯具是模组型的。多光源灯具不仅重量重，而且产生了多重影，限制了功率扩展和使用范围，尤其对车辆和行人是严重的安全隐患。
现有单光源LED照明灯具，其配光主要是模仿传统灯具，依靠反射杯对光线进行反射分配。由于朗伯(Lambertian)特性的存在，反光杯可以反射的光线很少，无法从根本上改善LED光源光强分布中心强、周边减弱的特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED光源的非成像光学定向配光方法，其解决了现有技术无法从根本上改善LED光源的朗伯特性，从而不能实现定向配光，导致配光均匀度差、光效低的技术问题。
本发明的技术方案如下：
本发明利用光线从光密物质到光疏物质的折射现象，来克服LED光源的朗伯特性，即光强分布中心强、周边减弱的特性。本发明通过定向折射非成像配光透镜对LED光源的能量进行重新分配，对LED光源所发出的光进行整形、改变，以实现光能的充分利用和光强分布的定向控制，使LED点光源变为透镜表面均匀的面光源。其实现步骤如下：
(1)根据光场光斑的设计要求确定LED光线经配光透镜后出射光的方向，由此可得LED光经配光透镜后的出射角θ₄；
(2)选定LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂以及LED光线经配光透镜后的出射介质折射率N₃；使LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁、经配光透镜后的出射角θ₄以及入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂、出射介质折射率N₃满足下列函数关系：
θ₁＝f(N₁、N₂、N₃、θ₄)，
具体为θ₄＝sin^-1(N₂sin(θ-sin^-1(N₁sinθ/N₂)/N₃))，
得到LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁；
(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角θ、LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁满足关系：θ＝θ₁；得到配光透镜入射面与出射面的夹角θ，由此可确定配光透镜的入射面与出射面；
(4)使LED光线以入射角θ₁入射至配光透镜，经配光透镜折射后，得到LED定向光。
本发明具有如下优点：
1.收集光线角度大，能充分利用LED光源的光能，光效高，实现照明要求所需要的功率小，因此可节能。
2.可对LED光源的光强分布定向控制，使LED点光源变成透镜表面均匀的面光源，配光均匀度高，可实现精密光分布控制。
3.改变了LED光源的朗伯特性，使LED光源的光强分布随着出射角度增大的衰减较小，适用于各类功能性照明灯具，产品的可靠性高。
4.可以使照明范围内每一点的照度都完全满足照明规范要求，即满足最低照度指标、最高眩光要求指标、光强均匀度指标以及光照区域限制要求等。
5.照射区域内无盲区、无眩光，使用环保，利于人眼睛健康。
6.实现方法简单，成本低。
附图说明：
图1为现有常见LED光源的封装方式。
图2为LED光源等效为180°出光角的朗伯光源。
图3为实测的现有240W对称型无适当配光LED路灯的配光曲线。
图4为实测的现有150W蝶型配光LED路灯的配光曲线。
图5是本发明的定向折射平面光学示意图。
图6是本发明配光透镜定向散光折射示意图。
图7是本发明配光透镜定向束光折射示意图。
图8是本发明配光透镜定向带状折射示意图。
图9是用Pro/Engineer软件所设计的本发明定向折射配光透镜的结构示意图。
图10是现有的对称型无适当配光的LED路灯的LightTools软件仿真圆锥面光强图。
图11是使用本发明定向折射配光透镜的LED路灯的LightTools软件仿真圆锥面光强图。
图12是使用本发明定向折射配光透镜的LED路灯的LightTools软件仿真配光曲线。
图13是使用本发明定向折射配光透镜模拟仿真LED路灯的工程应用示意图。
图14是实测的使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的LED路灯的光分布图。
图15是实测的使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的LED路灯的配光曲线。
图16是同功率、同光源、不同透镜条件的LED路灯的对比图。
图17是实测150W使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的LED路灯的配光曲线。
具体实施方式
本发明配光透镜的定向折射原理：
(1.1)斯涅尔定律：光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足下列关系：
斯涅尔公式N_msinθ_m＝N_nsinθ_n，
其中，N_m和N_n分别是两个介质的折射率，θ_m和θ_n分别是入射角和折射角。
(1.2)配光透镜定向折射原理：
如图5所示，配光透镜的入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂、LED光线经配光透镜后的出射介质折射率N₃；LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁、射入配光透镜后的折射角θ₂、出射至出射介质的入射角θ₃、经配光透镜后的出射角θ₄；配光透镜的入射面与出射面的夹角θ。透镜体203的折射率N₂＝1.56；透镜体203的入射介质、出射介质均为空气，则入射介质折射率N₁＝出射介质折射率N₃＝1。
当LED光源的光线从空气入射至透镜体203时，N₂＞N₁；则θ₁＞θ₂，光线发生偏向法线的折射；当光线从透镜体203射入空气中时，N₂＞N₃，则θ₄＞θ₃，光线发生偏离法线的折射，其偏离法线，定向折射的角度为θ₄。
∵θ₁＝θ，
N₁sinθ₁＝N₂sinθ₂
sinθ₂＝N₁sinθ₁/N₂
θ₂＝sin^-1(N₁sinθ₁/N₂)＝sin^-1(N₁sinθ/N₂)
θ₃＝θ₁-θ₂＝θ-θ₂＝θ-sin^-1(N₁sinθ/N₂)
N₃sinθ₄＝N₂sinθ₃
sinθ₄＝N₂sinθ₃/N₃
θ₄＝sin^-1(N₂sinθ₃/N₃)
即θ₄＝sin^-1(N₂sin(θ-sin^-1(N₁sinθ/N₂)/N₃))
若θ＝30°
则θ₄＝sin^-1(1.56sin(30°-sin^-1(sin30°/1.56)))＝18°
(1.3)配光透镜定向散光折射：如图6所示，可等效为180°出光角的朗伯光源的LED光线穿过定向散光齿形透镜后，光线会朝向和齿形垂直且偏离中心的方向折射，由此可改变光场分布形状，使折射方向光强提高，其他方向光强减弱，还可进行均匀散射光学处理。
(1.4)配光透镜定向束光折射：如图7所示，可等效为180°出光角的朗伯光源的LED光线穿过定向束光齿形透镜后，光线朝向和齿形垂直且向着中心的方向折射，由此而改变光场分布形状，使折射方向光强提高，其他方向光强减弱，还可对照射至有效照明区域外的光进行折射压缩及光均匀处理。
(1.5)配光透镜带状定向散光折射：如图8所示，可等效为180°出光角的朗伯光源的LED光线穿过齿形定向带状折射透镜后，光线会朝向和齿形垂直带状方向折射，使光场分布成带状形状，在带状方向光强提高，其他方向光强减弱，还可进行光均匀处理。
本发明具体实现步骤如下：
(1)根据光场光斑的设计要求确定LED光线经配光透镜后出射光的方向，由此可得LED光经配光透镜后的出射角θ₄。
(2)选定LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂以及LED光线经配光透镜后的出射介质折射率N₃；使LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁、经配光透镜后的出射角θ₄以及入射介质折射率N₁、配光透镜折射率N₂、出射介质折射率N₃满足下列函数关系：
θ₁＝f(N₁、N₂、N₃、θ₄)，
具体为θ₄＝sin^-1(N₂sin(θ-sin^-1(N₁sinθ/N₂)/N₃))，
得到LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁。
(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角θ、LED光线入射至配光透镜的入射角θ₁满足关系：θ＝θ₁；得到配光透镜入射面与出射面的夹角θ，由此可确定配光透镜的入射面与出射面。
(4)使LED光线以入射角θ₁入射至配光透镜，经配光透镜折射后，得到LED定向光。
本发明配光透镜可采用玻璃材料、PC材料或PMMA材料等。玻璃材料具有耐高温、穿透率高等特点。PC材料即聚碳酸酯材料，PMMA材料即聚甲基丙烯酸甲酯材料，此两种材料不仅穿透率较高，容易实现非球面聚光，减少光斑的黄晕斑现象，还可以使产品注塑成型，使生产成本较低。透镜体203也可以采用透明PS材料，即透明聚苯乙烯材料，俗称透苯。
使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的模拟仿真照明灯具实例：
利用本发明对不同方向的定向折射配光透镜进行组合，对LED光源的投射光光强分布进行配光，可使光强分布满足实际应用要求。
图9是用Pro/Engineer软件设计的LED灯具定向折射配光透镜，其光强分布完全满足道路照明光强分布的要求。根据道路形状对路边、屋边以外无用部分光强分布进行折射压缩，对道路沿伸方向的有用光强分布进行折射增强，同时进行均匀散射光学处理。
图10是现有的对称型无适当配光LED路灯LightTools软件仿真圆锥面光强图，其形状为对称圆形，中心地带光强很强；沿径向远离圆心，光强以余弦形迅速衰减。即大部分光通量照射到中心地带，周边光强很弱。
图11是使用本发明定向折射配光透镜的LED路灯LightTools软件仿真圆锥面光强图，其形状近似为长方形，长方形区域内光强均匀，远离长方形中心向周边的光强分布线性均匀。
图12是使用本发明定向折射配光透镜LED路灯LightTools软件仿真配光曲线。
在实线所示的长边C₀面，其光强40％时的出光角为：
C₀＝(225+22.5)-(135-22.5)＝135°；
在虚线所示的短边C₉₀面，其光强40％时的出光角为：
C₉₀＝225-135＝90°。
图13是使用本发明定向折射配光透镜模拟仿真LED路灯的工程应用：
40％光强C₀方向(矩形长边)长度：
L＝2H×tan(C₀/2)＝2H×tan(135°/2)＝4.42H；
40％光强C₉₀方向(矩形短边)长度：
W＝2H×tan(C₉₀/2)＝2H×tan(90°/2)＝2H。
即：当满足定向折射配光透镜LED路灯LightTools软件仿真配光曲线时，路灯投射到路面的光强分布为近似矩形，矩形的长C₀与宽C₉₀之比为：2.41。
由图14所示的光强分布图以及图15所示的配光曲线可见：实测结果与模拟仿真数据基本一致。其C₀面40％光强光束角为133°，其C₉₀面40％光强光束角为90°，实现了对路灯光强分布的精密控制。
当路灯杆高度为10m时，40％光强路面分布矩形长边L(C₀)及短边(C₉₀)W为：
L＝2H×tan(C₀/2)＝2H×tan(133°/2)＝46(m)
W＝2H×tan(C₉₀/2)＝2H×tan(90°/2)＝20(m)
实例效果结论：
如图16所示，通过定向折射非成像配光透镜对光的能量进行重新分配，对LED光源所发出的光进行整形和改变，从而实现了光源能量的利用和光强分布的定向控制。定向折射非成像光学配光透镜，把LED光源的光线定向成折射到了透镜表面，使LED点光源改变成为透镜表面均匀的面光源，提高了光强分布均匀度；改变了LED光源的朗伯特性，使LED路灯光强的分布随着出射角度增大的衰减较小；其结构简单、收集光线角度大、光能量利用率高。
分析图17所示的实测150W定向折射非成像光学配光透镜LED路灯配光曲线，结果是：照明均匀度好，沿路面没有眩光，照明效率高，实现照明要求所需要的功率小。