CN101725894B - 一种led二次配光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LED二次配光的方法，包括如下步骤：(1)收集被照面A的光轴夹角γ和发射面夹角θ，以光轴夹角γ和发射面夹角θ的函数建立特征矩阵β；(2)确定透镜的折射率i；(3)测量LED光源的关于光强角度的函数I(γ)；(4)根据每个以γ和θ为变量的立体角α，结合特征矩阵β，计算得到该点对应的弦长L＝F(γ，θ，i，m)；(5)将每个点的球坐标L(γ，θ)转换为直角坐标L(x，y，z)；(6)根据步骤(5)中的直角坐标拟合对应不同θ值的曲线，生成所需透镜的外表面，而透镜的内表面与LED光源的一次光学元件表面完全吻合。此方法步骤简单，得到的透镜配光效果好。

Description

一种LED二次配光的方法

技术领域

本发明属于应用光学领域，特别涉及一种对LED光源进行二次配光的方法。

背景技术

随着节能环保的观念深入人心，目前各类型电子装置的发展方向，也逐渐朝向符合环保与节能的需求而进行，其中，以照明与光源的需求最为突出，主要的原因在于照明是人类生活中不可或缺的重要组成部分，另外，只要有关显示的电子装置，也均需要光源的配合，才能使显示的内容得以有效的呈现，例如液晶电视、具有显示屏的通讯装置、计算机用的液晶显示屏等，都离不开光源的应用；再者，为达到符合环保与节能的需求，继白炽灯、节能灯、金卤灯之后，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)以其发光效率高、节能、环保等特点，成为新一代光源，并逐渐取代传统光源。

由于LED的光束为定向发射，因此在实际使用时，需要加以二次光学设计，才可满足照明要求。目前，为了提高LED的出光效率和使用便利性，一般需要对LED光源进行一次封装，比如采用球透镜的封装方式，而在特定的应用场合，如用于LED路灯照明时，要求光线集中照射，以形成所需要的光斑，因此需要对一次封装后的LED光源进行二次光学处理，现今一般的处理方式是在一组LED光源前加装一个公共的二次透镜，以达到聚光的目的。

目前LED面光源集光元件包括CPC(含抛物面聚光器)、TLP及TIR透镜等，但其设计方法大多过于复杂，设计试验成本高昂，或者仅由简单的几何体拼凑组成，无法实现充分有效的照明需求；有的甚至将LED看作传统点光源进行二次配光设计，不能达到所需的照明亮度，因此需要有一种更直接更有效的二次光学设计方法。

有鉴于此，本发明人针对LED光源的二次配光方法进行潜心研究，终有本案产生。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种LED二次配光的方法，其步骤简单，得到的透镜配光效果好。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种LED二次配光的方法，包括如下步骤：(1)收集被照面A的光轴夹角γ和发射面夹角θ，以光轴夹角γ和发射面夹角θ的函数建立特征矩阵β；(2)确定透镜的折射率；(3)测量LED光源的关于光强角度的函数I(γ)；(4)根据每个以γ和θ为变量的立体角α，结合特征矩阵β，计算得到该点对应的弦长L＝F(γ，θ，β)；(5)将每个点的球坐标L(γ，θ)转换为直角坐标L(x，y，z)；(6)根据步骤(5)中的直角坐标拟合对应不同θ值的曲线，生成所需透镜的外表面，而透镜的内表面与LED光源的一次光学元件表面完全吻合。

上述步骤(6)中使用Pro-E或Solidworks或者其他三维设计软件拟合曲线。

上述步骤(6)中，还对拟合得到的曲线进行局部平滑化。

采用上述方案后，本发明只需要测量被照明需求的照度分布函数和LED光源的光强分布曲线，就可根据简单的公式，计算得到所需光线透镜的曲面数据，再使用软件编程等方法拟合曲线，生成曲面，即可得到所需的二次配光透镜的规格，省却了传统处理方式中繁琐复杂的光学设计步骤，大大缩短设计时间和成本，且得到的透镜能够实现有效的配光。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中LED光源光强角度的曲线示意图；

图2是本发明较佳实施例中二次配光的照度分布示意图；

图3是本发明较佳实施例的光路示意图；

图4是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

参考图4所示，本发明一种LED(Light Emitting Diode，发光二极管)二次配光的方法，包括如下几个步骤：

(1)收集被照面A的照度分布需求数据，也即光轴夹角γ(指被照面上的被照点与光源的垂直角度)和发射面夹角θ(指被照面上光源的投影点与被照点的水平角度)，可参考图2中所示出的P点，并将每组数据对应建立特征矩阵β，该特征矩阵β是光轴夹角γ与发射面夹角θ的函数F(γ_n，θ_n)＝sinθ_n/cos(θ_n-γ_n)(1-tg γ_n)，(其中n＝1，2，3，……)

$\mathrm{\β}=\left|\begin{array}{c}F({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1),F({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\θ}}_2),\·\·\·\·\·\·F({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\θ}}_n)\\ F({\mathrm{\γ}}_2,{\mathrm{\θ}}_1),F({\mathrm{\γ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2),\·\·\·\·\·\·F({\mathrm{\γ}}_2,{\mathrm{\θ}}_n)\\ \·\·\·\·\·\·\\ F({\mathrm{\γ}}_n,{\mathrm{\θ}}_1),F({\mathrm{\γ}}_n,{\mathrm{\θ}}_2),\·\·\·\·\·\·F({\mathrm{\γ}}_n,{\mathrm{\θ}}_n)\end{array}\right|$

可参考表1所示，是本发明一个较佳实施例某一区域的照明需求数据示例；

                          表1

(2)根据各种不同材质与型号的透镜，确定其折射率i，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的折射率为i＝1.49；

(3)通过测量得出所选择LED光源关于光强角度的函数I(γ)，如下表2所示是本实施例的数据列举，而图1中所示为I关于γ的函数曲线示意图；

                      表2

 

γ	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180
														I	1300	1500	1600	2000	2500	3200	4000	3200	2600	2100	1650	1500	1300

(4)根据每个以γ和θ为变量的立体角α，结合特征矩阵β，计算得到该点对应的弦长L＝F(γ，θ，i，m)＝m*i*(1-cos β)/(tgγ*tg θ)，(其中i为折射率；m为镜头缩放尺寸系数，可任意调整)，可得到所需透镜外表面的曲面形状参数，而透镜的内表面与LED光源的一次光学元件表面完全吻合；

(5)根据公式①、②和③

x＝Lsin γ cos θ             ①

y＝Lsin γ sin θ           ②

z＝Lcos γ                  ③

将每个点的球坐标M(L，γ，θ)转换为直角坐标M(x，y，z)；

(6)在Pro-E、Solidworks或者其他三维设计软件等软件环境中，导入各个点M(x，y，z)的数据，拟合成对应各个不同θ值的曲线，再生成曲面，建立所需透镜的3D模型，在本实施例中，具体是按每隔5度射出一条光线，一共模拟16条光线的光路，参考图3所示，通过透镜的折射作用后，可在被照面A上得到均匀的分布；

(7)对拟合得到的曲线进行等比例缩放尺寸，以使不同角度的光线按照要求被分布到被照面A的预定区域；

(8)结合注塑与模具的实际生长制造可行性，对生成的透镜曲面进行局部平滑化，并在数控加工中心、注塑机上进行加工成型；

(9)根据LED光源的外形尺寸和安装位置，增加透镜的定位插销或粘合面附加部件。

综上所述，本发明一种LED二次配光的方法，重点在于采集被照面A的照度分布需求数据、光强分布曲线及透镜折射率等参数，经过简单的公式计算，即可得到所需透镜曲面的参数描述，再利用软件拟合，即可生成所需的透镜形态。此种方法过程简单，减少了传统技术复杂繁琐的二次光学设计，直接通过公式得出所需透镜的曲面数据，缩短设计时间及设计成本，且设计出的透镜符合照明要求，可使单位立体角上的每束光均按要求分布到被照面的预定区域。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种LED二次配光的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)收集被照面A的光轴夹角γ和发射面夹角θ，以光轴夹角γ和发射面夹角θ的函数建立特征矩阵β；该特征矩阵β是光轴夹角γ与发射面夹角θ的函数F(γ_n，θ_n)＝sinθ_n/cos(θ_n-γ_n)(1-tgγ_n)，(其中n＝1，2，3，……)

$\mathrm{\β}=\left|\begin{array}{ccc}F({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1),& F({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\θ}}_2),& ......F({\mathrm{\γ}}_1,{\mathrm{\θ}}_n)\\ F({\mathrm{\γ}}_2,{\mathrm{\θ}}_1),& F({\mathrm{\γ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2),& ......F({\mathrm{\γ}}_2,{\mathrm{\θ}}_n)\\ ......& & \\ F({\mathrm{\γ}}_n,{\mathrm{\θ}}_1),& F({\mathrm{\γ}}_n,{\mathrm{\θ}}_2),& ......F({\mathrm{\γ}}_n,{\mathrm{\θ}}_n)\end{array}\right|$

(2)确定透镜的折射率；

(3)测量LED光源的关于光强角度的函数I(γ)；

(4)根据每个以γ和θ为变量的立体角α，结合特征矩阵β，计算得到该点对应的弦长L＝m*i*(1-cosβ)/(tgγ*tgθ)，其中i为折射率；m为镜头缩放尺寸系数，可任意调整；

(5)将每个点的球坐标L(γ，θ)转换为直角坐标L(x，y，z)；

(6)根据步骤(5)中的直角坐标拟合对应不同θ值的曲线，生成所需透镜的外表面，而透镜的内表面与LED光源的一次光学元件表面完全吻合。

2.如权利要求1所述的一种LED二次配光的方法，其特征在于：所述步骤(6)中使用Pro-E或Solidworks三维设计软件拟合曲线。

3.如权利要求1所述的一种LED二次配光的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，还对拟合得到的曲线进行等比例缩放尺寸。

4.如权利要求1所述的一种LED二次配光的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，还对拟合得到的曲线进行局部平滑化。

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