CN101749641B - 用于大功率led路灯照明的自由曲面偏光透镜 - Google Patents
用于大功率led路灯照明的自由曲面偏光透镜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜,包括LED光入射面、出射面和底面,所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑,凹坑的坑壁面是半球面,构成所述的入射面;透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面,构成出射面。以LED灯底面的圆心为原点,以LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴,所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称,由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。通过偏光透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向,使其照明区域成为一矩形均匀照明面,符合国家道路照明的光分布与照度要求。
Description
技术领域
本发明属于LED照明技术领域,具体涉及一种LED路灯的偏光透镜。
背景技术
LED作为一种新型的固体光源,同传统光源相比具有很多优势,如节能,环保,易于调节,寿命长等优点,因此非常适合作为各种照明领域的光源,比如道路照明光源。
道路照明系统不同于一般的照明灯具,其照明的场最好为矩形区域,以提高光的利用率。根据国家公路照明标准,要满足在一矩形的被照平面上(一般是10米×40米)的平均照度以及照度均匀度。
由于LED光源发出的光近似朗伯型,即光强呈余弦分布,直接用于照明,会在路面上形成一个不均匀的圆斑,中心处很亮,而在径向衰减很快。这就需要设计相应的光学系统来重新配光。目前出现的LED路灯,有使用偏光透镜对LED光源进行配光,这种路灯的光能利用率很高,但是由于中心光强过大无法打散,导致单颗路灯照射距离较短(一般在30米至35米),若路灯安装间距较大,会在两灯之间出现暗区。而现有的比较成熟的配光方式是在LED光源前安放光学透镜,其中在照射距离和照度均匀度做的比较好的为花生型透镜。但是由于花生形透镜采用对称设计,而路灯灯杆一般是放置在路边,所以路灯在使用中会有大量的光照射到路面以外的区域,不利于光能的有效利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足,提供LED路灯的偏光透镜,能使LED路灯的光能集中到路面上,并且形成均匀矩形照明区域。本发明采用如下技术方案:
用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜,包括LED光入射面、出射面和底面,所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑,凹坑的坑壁面是半球面,构成所述的入射面;透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面,构成所述出射面。
上述的自由曲面偏光透镜,以LED灯底面的圆心为原点,以LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴,所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称,由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。
所述自由曲面由如下方法确定:
(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格。
首先目标照明面与LED的距离为h,目标照明区域是长为a,宽为b的矩形区域,取其第一象限和第四象限作为研究对象,则长边为a/2,因为路面纵向偏光,侧边在第一象限的长度为c,第四象限的长度为d,LED光源的总光通量为φ,目标区域的平均照度为Ev(Ev为总光通量除以目标区域面积),LED中心光强为I0=φ/π。将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成n份,沿Y轴方向以步长k等分成m份,得到x(n)和y(m)的数组。这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格。对应的,通过计算每一份网格的能量,将光源出射光线离散化,对应于目标照明区域在第一象限的划分,在θ角上分成n份,在角上分成m份。
(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角)
第一步,计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量:
Energy=k·(c+d)·Ev
LED出射能量为:
有上述第一步和第二步的能量守恒关系,可以得出θ的迭代关系式,通过计算机计算可以求出一系列θ值。
(3)由能量对应关系计算角
以目标区域的每一小方格作为研究对象,面积为k2。
第一步,计算每一小格的总能量:
energy=Ev·k2
第二步,对应于光源的出射能量为:
(4)由折射定律和求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切平面,通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为:
在计算中,首先确定一个计算的初始点,该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸,由这个初始点算出一条边界曲线,再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面。计算方法:由(2),(3)中所确定的θ和可以求出入射光线的单位向量,通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量,可以得到初始点的法向向量,从而确定该点的切平面,该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点,通过计算机迭代可得出所有点的坐标。由此确定了自由曲面的坐标。
(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面
得到的曲面为对应于YOZ平面镜像,可以得到最终的偏光透镜曲面。
上述的自由曲面偏光透镜,m,n的取值越大,得到所述曲面上的离散点越多,由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲面。
上述的自由曲面偏光透镜,所述底面为平面,LED灯的发光部分位于所述凹坑内,LED灯的底面与透镜的底面位于同一平面上。
上述的自由曲面偏光透镜,所述h的取值范围为5~12m,a的取值范围为30~40m,b的取值范围为8~12m。
上述的自由曲面偏光透镜,偏光透镜由明材料PC或PMMA制成。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:本发明提供一种LED路灯灯具所用偏光透镜,通过透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向,使其照明区域成为一矩形均匀照明面,符合国家道路照明的光分布与照度要求。由于目前使用的LED路灯透镜都为对称设计,在使用时大量的光能照射到路面以外的区域,损失了光能。考虑到路灯位置和路面的形状,本发明所述的LED透镜采用为偏光矩形设计,则大幅提高光能的利用率。
附图说明
图1为实施方式中求解透镜自由曲面中LED光源及其球坐标图。
图2为实施方式中目标区域第一象限和第四象限划分网格图。
图3为实施方式中透镜的俯视图。
图4为实施方式中透镜的侧视图。
图5为实施方式中透镜的仰视图。
图6为实施方式中透镜的三维立体图。
图7为实施方式中目标照明区域上的照度分布图。
图8为实施方式中目标照明区域上的光强分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步描述,但本发明的实施不限于此。
(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格,如图1、图2所示。
首先目标照明面与LED的距离为10m,目标照明区域是长为40m,宽为12m的矩形区域,取其第一象限和第四象限作为确定对象,则确定长边为20m,因为LED灯光沿Y轴偏光,侧边在第一象限的长度9m,第四象限的长度为3m,LED光源101的总光通量为100lm,则目标区域的平均照度为0.2083lx,LED中心光强为31.8310cd。将目标照明矩形区域102沿X轴方向以步长0.2m等分成100份,沿Y轴方向以步长0.2m等分成60份,得到x(101)和y(61)的数组:x(1)=0,x(2)=0.2,x(3)=0.4……依次类推;y(1)=0,y(2)=0.2,y(3)=0.4……依次类推。这样在目标照明区域第一、四象限就形成了100×60个等面积的正方形网格。对应的,通过计算每一份网格的能量,将光源出射光线离散化,对应于目标照明区域在第一象限的划分,在θ角上分成100份,在角上分成60份。
(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线107与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角)
第一步,计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的最后能量:
Energy=k·(c+d)·Ev
带入数据的Energy=0.2×12×0.2083=0.4999
LED出射能量为:
带入数据得
有上述第一步和第二步的能量守恒关系,可以得出θ的迭代关系式:
通过计算机计算可以求出一系列θ值。
(3)由能量对应关系计算角
以目标区域的每一小方格作为研究对象,面积为0.04m2。
第一步,计算每一小格的总能量:
energy=Ev·k2
带入数据得energy=0.2083×0.04=0.0083
第二步,对应于光源的出射能量为:
(4)由折射定律和求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切平面,通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为:
在计算中,首先确定一个计算的初始点,(0,-0.02,0),该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸,由这个初始点算出一条边界曲线,再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面。计算方法:由(2),(3)中所确定的θ和可以求出入射光线的单位向量,通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量,可以得到初始点的法向向量,从而确定该点的切平面,该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点,通过计算机迭代可得出所有点的坐标。由此确定了自由曲面的坐标。
(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面
得到的曲面为对应于YOZ平面镜像,可以得到最终的透镜曲面。
如图3,为通过上述方案得到的透镜俯视图,图4为侧体图,图5为仰视图,图6为立体图,偏光透镜包括内表面201,外表面202和底面203。LED光源101放置与底面203的中央。
图7、图8为LED按照如上所述的方式放置了偏光透镜后的光照效果图,图7为目标平面上的光分布为矩形斑,均匀度较好,有明显的偏光效果。图8为照明面上的光强分布曲线图(A为Y上的光强分布曲线,B为与Y轴夹角为45°的光强分布曲线;C为与Y轴夹角为90°的光强分布曲线,D为与Y轴夹角为135°的光强分布曲线)。可以看出,通过采用上述技术方案后,而能合理控制光线分布使光斑呈矩形,并且在照射区域内总透光率高,出光均匀性好。
Claims (5)
1.用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜,包括LED光入射面、出射面和底面,其特征在于所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑,凹坑的坑壁面是半球面,构成所述的入射面;透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面,构成所述出射面;以LED灯底面的圆心为原点,以LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴,所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称,由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状;所述透镜的自由曲面的形状由如下方法确定:
(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格
目标照明面与LED的距离为h,目标照明区域是长为a、宽为b的矩形区域,取第一象限和第四象限作为确定对象,则确定对象的长边为a/2,LED光沿Y轴方向偏光,宽边在第一象限的长度为c,在第四象限的长度为d,LED光源的总光通量为φ,目标区域的平均照度为Ev=φ/(a×b),LED中心光强为I0=φ/π,将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成n份,沿Y轴方向以步长k等分成m份,得到x(n)和y(m)的数组;这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格;对应的,通过计算每一份网格的能量,将光源出射光线离散化,对应于目标照明区域在第一象限的划分,在θ角上分成n份,在角上分成m份;所述θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平面的夹角,角为出射光线与Y轴正向的夹角;
(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角,
第一步,计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量:
Energy=k·(c+d)·Ev
第二步,由能量守恒求出θ角:
由上述第一步和第二步的能量守恒关系,得出θ的迭代关系式,通过计算机计算求出一系列θ值;
以目标区域的每一小方格作为研究对象,面积为k2;
每一小格的总能量:
energy=Ev·k2,
对应于光源的出射能量为:
(4)由折射定律求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切平面,通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标;所述的折射定律公式为:
在计算中,确定一个计算的初始点,该初始点坐标决定了整个偏光透镜的尺寸,由这个初始点算出一条边界曲线,再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面,计算方法:由(2),(3)中所确定的θ和求出入射光线的单位向量,通过初始点的坐标和与其对应的折射光线的单位向量,得到初始点的法向向量,从而确定该点的切平面,该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点,由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点,通过计算机迭代得出所有点的坐标,由此确定了自由曲面的坐标;
(5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面,得到的曲面为对应于YOZ平面镜像,得到最终的偏光透镜自由曲面,即所述出射面。
2.根据权利要求1所述的自由曲面偏光透镜,其特征在于m,n的取值越大,得到所述曲面上的离散点越多,由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲面。
3.根据权利要求2所述的自由曲面偏光透镜,其特征在于所述底面为平面;LED灯的发光部分位于所述凹坑内,LED灯的底面与透镜的底面位于同一平面上。
4.根据权利要求2所述的自由曲面偏光透镜,其特征在于所述h的取值范围为5~12m,a的取值范围为30~40m,b的取值范围为8~12m。
5.根据权利要求1~4任一项所述的自由曲面偏光透镜,其特征在于偏光透镜由透明材料PC或PMMA制成。
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