CN105180095B - 基于非成像光学的均匀光强led反射发光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法，包括如下步骤：S1，以LED光源作为原点建立坐标，建立入射、出射光线和法线矢量；S2，结合LED光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等列出方程；S3，LED光源出射经过自由曲面反射器照射到目标面形成光强均匀的圆形光斑，根据光强均匀建立目标面坐标和自由曲面的坐标的关系；S4，根据已知照明目标面的坐标，求出反射器的自由曲面坐标，根据得到的反射器进行LED均匀光强照射。

Description

基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法

技术领域

本发明涉及LED光学发光领域，尤其涉及一种基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法。

背景技术

LED作为新一代的绿色光源，具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点，这使得LED照明技术在最近几年得到了迅速发展。但是由于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。这就需要发明相应的光学系统进行重新分配。

目前常用的配光方案是根据非成像光学理论，通过发明自由曲面对LED进行配光。但常见的自由曲面都是按照均匀照度的要求来进行配光发明的，而在航标灯、交通灯等信号指示灯或室内照明等某些领域需要实现均匀光强的分布。王霖等人根据能量守恒建立偏微分方程，实现了点光源的均匀光强反射器发明；杜乃峰采用边缘光线法原理，实现了扩展光源的均匀光强反射器发明；付倩等人通过设置虚拟目标面实现了半角为60°的均匀光强反射器发明；但这些方案会由于反射器对光的吸收而损失较大的能量，不利于节能。这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法，其包括如下步骤：

S1，以LED光源作为原点建立坐标，建立入射、出射光线和法线矢量；

S2，结合LED光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等列出方程；

S3，LED光源出射经过自由曲面反射器照射到目标面形成光强均匀的圆形光斑，根据光强均匀建立目标面坐标和自由曲面的坐标的关系；

S4，根据已知照明目标面的坐标，求出反射器的自由曲面坐标，根据得到的反射器进行LED均匀光强照射。

所述的基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法，优选的，所述S1包括：

建立坐标系，设LED光源位于坐标系原点；θ是光源发出的光线与z轴的夹角，设的光线经自由曲面反射到目标照明面的中心，θ＝θ_T的光线经自由曲面反射到目标照明面的边缘。由能量守恒定律得：

式中，I₀是中心光强，I_c是经过配光后的出射光强，由于发明要求是实现均匀光强，所以I_c为常量。是经过配光后出射光线与z轴的夹角，是经过配光后的最大出射角度；

化简得

从而得到出射光强I_c与最大出射角度的关系。

所述的基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法，优选的，所述S2包括：

由能量守恒定律得：

联立和得，

得到光源发出的光线与z轴的夹角θ与经过配光后出射光线与z轴的夹角的对应关系。

所述的基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法，优选的，所述S3包括：

Snell定律的矢量形式如下：

${\[1+n^2-2n(\stackrel{\‾}{out}\·\stackrel{\‾}{in})\]}^{\frac{1}{2}}\·\stackrel{\‾}{N}=\stackrel{\‾}{out}-n\·\stackrel{\‾}{in}$

其中，n为自由曲面介质折射率，由于是反射，所以n＝1,为自由曲面在某点的法向量，分别为入射光线和出射光线。

由Snell定律和曲面的一般表达式推导出面型曲线上点的微分关系：

对一个(x,z)点的差分法表示如下：

$\frac{dz}{dx}{|}_i=\frac{z_{i+1}-z_i}{x_{i+1}-x_i}$

变换上式，得到(x_i+1,z_i+1)关于(x_i,z_i)的差分表达式：

$z_{i+1}=\frac{z_i-x_i\·\frac{dz}{dx}{|}_i}{1-{\mathrm{tan\θ}}_{i+1}\·\frac{dz}{dx}{|}_i}$

得到x_i+1＝z_i+1·tanθ_i+1，

依次迭代求出反射器上的离散点坐标。

所述的基于非成像光学的均匀光强LED反射发光方法，优选的，所述S4包括：

由Snell定律和曲面的一般表达式推导出面型曲线上点的微分关系：

对一个(x,z)点的差分法表示如下：

$\frac{dz}{dx}{|}_i=\frac{z_{i+1}-z_i}{x_{i+1}-x_i}$

变换上式，得到(x_i+1,z_i+1)关于(x_i,z_i)的差分表达式：

得到x_i+1＝z_i+1·tanθ_i+1，

依次迭代求出反射器上的离散点坐标，从而将反射器的母线坐标数据进行拟合，将其绕轴旋转形成自由曲面的LED反射器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明照明目标区域将形成均匀圆形光斑，自由曲面反射器为旋转对称反射器，该反射器的发明方法是将在三维空间中发明该反射器简化为二维空间中求反射器的母线，再将母线绕中心轴线旋转得到该反射器的自由曲面面型，同时将其实体化。获得能够均匀进行光照的LED反射发光体。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是LED反射器分析原理图；

图2是LED自由曲面反射器实体模型；

图3是目标照明面上的光强分布图；

图4是目标照明面上的照度分布图；

图5是目标照明面上的照度分布曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明是为了解决LED均匀光强照明和提高出射光线有效利用率的问题，提供了一种LED自由曲面反射器的发明方法。通过发明自由曲面反射器，使被照面具有较高的光强均匀度。

为了解决上述问题，本发明运用非成像光学研究均匀光强反射器的发明，并发明了一款半角为30°的均匀光强反射器。

LED光源发出的光线经自由曲面反射器折射后达到照射区域，在照射区域范围形成照度均匀的圆形光斑。反射器的发明涉及到两部分的能量分配，一部分为直接从反射器出射的能量，另一部分为被反射器反射的能量，两部分能量叠加形成最终的照明。本发明提出的方法包括步骤有：(1)以LED光源作为原点建立坐标，建立入射、出射光线和法线矢量，将它们用Snell定律联系起来。(2)结合LED光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等列出方程。(3)LED光源出射经过自由曲面反射器照射到目标面形成光强均匀的圆形光斑，根据光强均匀可以建立目标面坐标和自由曲面的坐标的关系。(4)根据已知照明目标面的坐标，求出反射器的自由曲面坐标。

该方法所述的LED光源位于坐标原点。照明目标面形成光强均匀的圆形光斑，所以反射器是旋转对称的，其对称轴经过LED光源和圆形光斑的中心点。因为反射器是旋转对称的，所以将求解三维空间自由曲面可以简化为二维空间中求反射器的自由曲面母线，简化了发明方法。

本发明通过非成像光学来实现光强均匀照明的圆形光斑的LED自由曲面反射器，其具体发明要点如下：

建立如图1所示的坐标系，设LED光源位于坐标系原点。θ是光源发出的光线与z轴的夹角，设的光线经自由曲面反射到目标照明面的中心，θ＝θ_T的光线经自由曲面反射到目标照明面的边缘。由能量守恒定律得：

式中，I₀是中心光强，I_c是经过配光后的出射光强，由于发明要求是实现均匀光强，所以I_c为常量。是经过配光后出射光线与z轴的夹角，是经过配光后的最大出射角度。

化简(1)式得：

由公式(2)，就可以得到I_c与的关系。

由能量守恒定律得：

联立(2)，(3)式得：

由公式(4)，就可以得到θ与的对应关系。

Snell定律的矢量形式如下：

${\[1+n^2-2n(\stackrel{\‾}{out}\·\stackrel{\‾}{in})\]}^{\frac{1}{2}}\·\stackrel{\‾}{N}=\stackrel{\‾}{out}-n\·\stackrel{\‾}{in}---\left(5\right)$

在这里n为自由曲面介质折射率，由于是反射，所以n＝1,为自由曲面在某点的法向量，分别为入射光线和出射光线。

由Snell定律和曲面的一般表达式推导出面型曲线上点的微分关系：

对一个(x,z)点的差分法表示如下：

$\frac{dz}{dx}{|}_i=\frac{z_{i+1}-z_i}{x_{i+1}-x_i}---\left(7\right)$

变换上式，就可以得到(x_i+1,z_i+1)关于(x_i,z_i)的差分表达式：

$z_{i+1}=\frac{z_i-x_i\·\frac{dz}{dx}{|}_i}{1-{\mathrm{tan\θ}}_{i+1}\·\frac{dz}{dx}{|}_i}---\left(8\right)$

由(8)式可得：

x_i+1＝z_i+1·tanθ_i+1 (9)

由(8)、(9)式就可以依次迭代求出反射器上的离散点坐标。

将得到反射器的离散数据点坐标导入建模软件，再将其绕中心轴旋转可得到反射器的自由曲面，然后再将其该曲面实体化成为自由曲面反射器，即为本发明的LED自由曲面反射器。

本发明采用了差分法求解LED反射器的自由曲面方程，其具有发明灵活，周期短，准确的特点。本发明中的一个实施例中LED光源采用1mm×1mm发光面积的朗伯体LED，反射器的材料为PMMA。由于LED发光部分被封装凸起半球，为了能很好的将自由曲面反射器安装在LED光源上，在反射器的底部中心处挖去半径为3mm，球心与反射器底部中心重合的半球。反射器实体模型如图2所示，其中，反射器的下口径为12mm，上口径为23mm，高度为20mm。

如图3、4所示，本发明光强均匀照明的LED自由曲面反射器发明方法，照明目标区域将形成均匀圆形光斑，自由曲面反射器为旋转对称反射器，该反射器的发明方法是将在三维空间中发明该反射器简化为二维空间中求反射器的母线，再将母线绕中心轴线旋转得到该反射器的自由曲面面型，同时将其实体化。

如图5所示，根据Snell定律将入射、出射光线矢量和法线矢量联系起来建立反射器曲面方程；根据LED台灯光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等列出方程，结合目标照明面上形成的光斑为均匀圆形光斑，根据光强均匀相等可知目标照明面坐标和自由曲面的坐标的关系式。

所述的方程求解采用差分法进行求解，该方法快速直观，求解效率高。

将反射器的母线坐标数据导入软件后进行拟合，将其绕轴旋转形成LED反射器的自由曲面，同时将其实体化为反射器。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于非成像光学的均匀光强LED反射发光体的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，以LED光源作为原点建立坐标，建立入射、出射光线和法线矢量；

所述S1包括：建立坐标系，设LED光源位于坐标系原点；θ是光源发出的光线与z轴的夹角，设的光线经自由曲面反射到目标照明面的中心，θ＝θ_T的光线经自由曲面反射到目标照明面的边缘；由能量守恒定律得：

式中，I₀是中心光强，I_c是经过配光后的出射光强，为实现均匀光强，将I_c为常量；是经过配光后出射光线与z轴的夹角，是经过配光后的最大出射角度；

化简得

从而得到出射光强I_c与最大出射角度的关系；

S2，结合LED光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等列出方程；

所述S2包括：

由能量守恒定律得：

联立和得，

得到光源发出的光线与z轴的夹角θ与经过配光后出射光线与z轴的夹角的对应关系；

S3，LED光源出射经过自由曲面反射器照射到目标面形成光强均匀的圆形光斑，根据光强均匀建立目标面坐标和自由曲面的坐标的关系；

所述S3包括：

Snell定律的矢量形式如下：

${\[1+n^2-2n(\stackrel{\‾}{out}\·\stackrel{\‾}{in})\]}^{\frac{1}{2}}\·\stackrel{\‾}{N}=\stackrel{\‾}{out}-n\·\stackrel{\‾}{in}$

其中，n为自由曲面介质折射率，由于是反射，所以n＝1,为自由曲面在某点的法向量，分别为入射光线和出射光线；

由Snell定律和曲面的一般表达式推导出面型曲线上点的微分关系：

对一个(x,z)点的差分法表示如下：

$\frac{dz}{dx}{|}_i=\frac{z_{i+1}-z_i}{x_{i+1}-z_i}$

变换上式，得到(x_i+1,z_i+1)关于(x_i,z_i)的差分表达式：

得到x_i+1＝z_i+1·tanθ_i+1，

依次迭代求出反射器上的离散点坐标；

S4，根据已知照明目标面的坐标，求出反射器的自由曲面坐标，根据得到的反射器进行LED均匀光强照射。

2.根据权利要求1所述的基于非成像光学的均匀光强LED反射发光体的设计方法，其特征在于，所述S4包括：

由Snell定律和曲面的一般表达式推导出面型曲线上点的微分关系：

对一个(x,z)点的差分法表示如下：

$\frac{dz}{dx}{|}_i=\frac{x_{i+1}-z_i}{x_{i+1}-x_i}$

变换上式，得到(x_i+1,z_i+1)关于(x_i,z_i)的差分表达式：

$z_{i+1}=\frac{z_i-x_i\·\frac{dz}{dx}{|}_i}{1-{\mathrm{tan\θ}}_{i+1}\·\frac{dz}{dx}{|}_i}$

得到x_i+1＝z_i+1·tanθ_i+1，

依次迭代求出反射器上的离散点坐标，从而将反射器的母线坐标数据进行拟合，将其绕轴旋转形成自由曲面的LED反射器，θ是光源发出的光线与z轴的夹角，是经过配光后出射光线与z轴的夹角。