CN104501091B - 一种照度呈高斯分布的led二次配光透镜设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，其步骤包括：确定光源的光强分布函数;确定透镜的折射率；确定被照区域的总范围半径和光源离照明区域的距离；按照高斯分布将照明区域分成若干半径不等的圆环，使得每个圆环的光通量相等；将光源光通量划分为若干份数，使得每份的边界与圆环半径一一对应；通过光线折射定律以及前序步骤中的对应关系计算出透镜的面型；验证是否满足要求。本设计方法计算准确、设计周期短；光源发出的光线通过该透镜在预期的照明区域形成照度为高斯分布的光斑，光源照明区域照度均匀，当多个光源叠加照明时，透镜也能使照明区域照度均匀，满足均匀照明的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED透镜技术，特别涉及一种照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法。
背景技术
Led照明由于具有高效，环保，寿命长的特点，越来越得到广泛的关注和应用，逐渐代替传统照明。但是LED照明在实际应用中存在一些问题，其中之一就是LED芯片发光的方向性强，光强分布为朗伯分布，在很多场合都不能直接使用。为了提高光能利用率，必须对光源二次配光，达到使用的条件。
传统的LED二次配光透镜设计方法主要是针对单盏灯均匀照明的情况，这种方法设计出的透镜在一盏灯照明的时候，照明区域可以很均匀，但如果两盏或两盏以上的灯负责很大区域照明的时候，由于光斑叠加部分的照度会是非叠加部分照度的两倍，反而使照明区域不均匀。而对于单盏灯不均匀照明的情况，目前多是盲目的调整透镜面型，这种方法繁琐，不准确，设计周期长。因此有必要开发一种能解决单盏灯照明不均匀的问题，也能解决两盏或两盏以上组合照明时不均匀情况的透镜的系统设计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，在此方法下设计出来的透镜可以使单个光斑按照高斯分布，照明区域亮度分布均匀，也能使多光源叠加时光照分布均匀。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，其步骤包括：
(1)确定光源的光强分布函数I(θ)＝f(θ)，其中I为光强度，θ为出光角度θ；一般光源分布为朗伯分布，其分布函数为I(θ)＝I*cos(θ)；
(2)确定透镜的折射率n；
(3)确定被照区域的总范围半径R和光源离照明区域的距离d；
(4)按照高斯分布将照明区域分成若干半径不等的圆环r(i)，使得每个圆环的光通量相等，其中i为圆环的标号；
(5)将光源光通量划分为若干份数，使得每份的边界与圆环半径一一对应；
(6)通过光线折射定律以及步骤(1)至(5)中的对应关系计算出透镜的面型；
(7)将透镜面型相关数据导入相关的光学模拟软件，模拟分析结果，看是否与设计目的一致；如果不理想，修改r(i)计算公式中的尺度参数σ值，重复上述过程，直到结果满意为止。
通过将光照区域划分为光通量相等的圆环，并在透镜上对应地找到光源的出光角度，根据具体折射定律和透镜材料的折射率，即可得到光线通过透镜后的出射光线的方向，要使出射光线落在与之对应的光照区域的圆环上，就需要调整透镜外光学面与透镜内光学面的相对距离，进而得到每个光照区域上圆环对应的透镜外光学面曲线，所有圆环对应的透镜外光线面曲线叠加得到整个透镜外光学面的面型。
作为优选，步骤(2)中透镜的折射率n的确定：根据透镜的材质确定，透镜为pc材质，则折射率n取1.58；透镜为pmma材质时，折射率n值取1.49.
作为优选，步骤(4)中使每个圆环内的光通量相等，那么每个圆环的半径r(i)应该满足
其中σ为高斯分布的尺度参数、N为光源光通量分割的份数、R为总照明区域半径，而尺度参数σ参数由高斯分布公式：确定，其中取μ＝0使得光线分布合理地落于照明区域内。
作为优选，实现步骤(5)的方法：首先将透镜内光学面设为半球面，每一份光源光通量对应的透镜内光学面的出光角度θ(i)应该满足公式：
由此可以得到出光角度θ(i)，该公式由光学基础公式和数学几何公式，结合数学微积分得出。
作为优选，步骤(6)中的出射光线满足折射定律n×sinα＝sinβ，n为透镜的折射率，将光照区域圆环半径r(i)对应的出光角度θ(i)算出后，再根据折射定律可得到在透镜外光学面上对应的特征点，求出所有光环i对应的特征点，得出透镜外光学面的面型。计算完成后，将设计的透镜数据输入相关的光学软件内进行模拟和验证，如Zemax、LightTools、DIALux等光学软件。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本设计方法通过将光照区域划分为光通量相等的圆环，并在透镜上对应地找到光源的出光角度，根据具体折射定律和透镜材料的折射率，即可得到光线通过透镜内入光面后的出射光线的方向，调整透镜外光学面与透镜内光学面的相对距离，使得出射光线落在与之对应的光照区域的圆环上，得出透镜的外光学面特征点，进而得到每个光照区域上圆环对应的透镜外光学面曲线，所有圆环对应的透镜外光线面曲线叠加得到整个透镜外光学面的面型；该设计方法计算准确、设计周期短；
2、用本设计方法设计出的透镜，由于将光照区域划分为光通量相等的圆环的计算公式中的尺度参数是由高斯分布公式确定的，使得光斑照度呈高斯分布或类似于高斯分布，而高斯分布的光照具有分布均匀、照度集中的特点，当多个呈高斯分布的光源叠加后，因高斯分布的光斑叠加后也能保持光照区域的均匀性，使得照明区域照度均匀，满足均匀照明的需求。
附图说明：
图1本发明方法设计出来的LED透镜的结构示意图。
图2为实施例1中的单颗光源理论上的高斯分布曲线图。
图3为实施例1中为多颗高斯分布的光源叠加后的光照分布曲线图。
图4实施例1中通过本发明方法设计出来的LED透镜的外形示意图。
图5为实施例1中通过本发明方法设计出来的LED透镜在Zemax光学软件中的模拟照度分布曲线。
图6为实施例1中通过本发明方法设计出来的LED透镜在LightTools软件中的模拟光强分布曲线。
图7为实施例2中通过本发明方法设计出来的LED透镜在LightTools软件中的模拟光强分布曲线。
图8为实施例2中将模拟结果代入DIALux软件模拟的地面的照度分布图。
图9为本发明的照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计过程的流程图。
图中标记：1-透镜外光学面，2-透镜内光学面，3-透镜安装边。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例中，将本设计方法用于面板灯的LED二次配光透镜设计，面板灯的尺寸为：光源距离面板d＝50mm，面板为边长为600mm的正方形；光源为36颗，按6乘以6排列，相邻光源间距90mm。
透镜材料选为pc，则折射率n＝1.585；将单颗光源的照明区域选为半径R＝220mm的范围，那么通过简单计算，确定尺度参数σ＝-0.00015。
如图2、图3所示，图2为理论上单颗光源的高斯分布曲线，图3为多颗高斯分布的光源叠加后的光照分布曲线图，在照明区域内形成均匀的照度。
将半径R＝220mm的范围划分为N＝1000份圆环，并且要使得每个圆环的光通量相等，每一份圆环的半径r(i)通过公式：
可以算出。
将光源按出射角度划分为1000份，每份对应的出光角度θ(i)通过公式：
算出，使得每一份的光通量相等。
将内光学面设为圆面，取透镜的一个竖直截面进行计算，将划分出的θ(i)与r(i)对应，根据出光角度θ(i)，找到光线在透镜内光学面入射点，通过折射定律可知道光线在透镜内的光线走向；调整透镜的外光学面上的相应点，使光线出透镜后落在与出光角度对应的圆环上，得出透镜面型的特征点；逐步找出所有出光角度θ(i)对应的透镜出光面上的特征点，连接这些点形成曲线，再将曲线作为母线绕透镜轴心旋转生成透镜。如图4所示，外光学面1即为计算出的面型。
将设计好的透镜数据代入光学软件Zemax进行模拟。得到距光源为50mm的面板的照度曲线模拟结果如图5所示，再将图5所得的模拟曲线与目标曲线图1对比，基本吻合。将结果带入光学软件LightTools中模拟，得到光强分布曲线如图6。
将36个光源和透镜按上述的6乘以6排列，在光学软件DIALux中模拟叠加效果，面板上的照度均匀性达到0.95，达到较理想的均匀照明的需求。
实施例2
本实施例中，将本设计方法用于高杆灯的LED二次配光透镜设计，光源的光强分布函数为I(θ)＝I*cos(θ)；高杆灯的杆高为35m，灯杆按照线性排列，灯杆之间的间距为150m。
根据以上灯杆安装尺寸，尺度参数选为σ＝-0.0000000001，那么单个光斑能量截止的地方约为150m。
按实施例1的方法将地面区域划分圆环1500份，每份对应的出光角度θ(i)可以通过前述的公式算出，使得每一份的光通量相等；每份光通量都对应每一个圆环r(i)，通过折射定律，算出透镜面型。
如图7所示，将设计的透镜数据代入lighttools软件模拟，得到光强分布曲线。
如图8所示，将模拟的IES文件代入dialux软件模拟，本实施例中安装3盏灯，每盏灯安装高度35m，每盏灯间距150m，得到地面照度分布曲线图，从图中可以看出，光照强度满足均匀照明的需求。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (4)
1.一种照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，其特征在于，其步骤包括：
(1)确定光源的光强分布函数I(θ)＝f(θ)，其中I为光强度，θ为出光角度θ；
(2)确定透镜的折射率n；
(3)确定被照区域的总范围半径R和光源离照明区域的距离d；
(4)按照高斯分布将照明区域分成若干半径不等的圆环r(i)，使得每个圆环的光通量相等，其中i为圆环的标号；
(5)将光源光通量划分为若干份数，使得每份的边界与圆环半径一一对应；实现方法为：首先将透镜内光学面设为半球面，每一份光源光通量对应的出光角度θ(i)应该满足公式：
由此可以得到出光角度θ(i)；
(6)通过光线折射定律以及步骤(1)至(5)中的对应关系计算出透镜的面型；
(7)将透镜面型相关数据导入相关的光学模拟软件，模拟分析结果，看是否与设计目的一致；如果不理想，修改r(i)计算公式中的尺度参数σ值，重复上述过程，直到结果满意为止。
2.根据权利要求1所述的照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，其特征在于，步骤(2)中透镜的折射率n的确定：根据透镜的材质确定，透镜为pc材质，则折射率n取1.58；透镜为pmma材质时，折射率n值取1.49。
3.根据权利要求1所述的照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，其特征在于，步骤(4)中使每个圆环内的光通量相等，那么每个圆环的半径r(i)应该满足公式：
<mrow>
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<mo>)</mo>
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</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其中σ为高斯分布的尺度参数、N为光源光通量分割的份数、R为总照明区域半径，而σ参数由高斯分布公式：确定，其中取μ＝0使得光线分布合理地落于照明区域内。
4.根据权利要求1至3之一所述的照度呈高斯分布的LED二次配光透镜设计方法，其特征在于，步骤(6)中的出射光线满足折射定律n×sinα＝sinβ，n为透镜的折射率，将光照区域圆环半径r(i)对应的出光角度θ(i)算出后，再根据折射定律可得到在透镜外光学面上对应的特征点，求出所有光环i对应的特征点，可得出透镜外光学面的面型。
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