CN107654962A - 一种高均匀照度的led反光杯设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高均匀照度的LED反光杯设计方法，根据所需照明高度和照明半径，以将LED部分出射光重新调配，使之反射到相应的位置，与直接出射的光叠加在照明区域上，达到均匀照明的效果为目的，求解出LED反光杯自由曲面的离散数据点，再将离散数据点导入SolidWorks进行建模，从而得出LED反光杯。本发明大大提高了照明区域照度均匀度和光能利用率，降低电能消耗，是传统光学设计不能比拟的，而且设计简单，容易理解。

Description

一种高均匀照度的LED反光杯设计方法

技术领域

本发明涉及配光的技术领域，尤其涉及到一种高均匀照度的LED反光杯设计方法。

背景技术

目前，市面上很多灯具均利用反光杯对LED发光源进行配光，现有的配光方法有利用微分方程或其他方法求解反光杯或者透镜，设计出自由曲面来调配光线。但利用上述配光方法的照明区域照度均匀度和光能利用率还是不高，导致部分光能浪费，间接地消耗更多电能，且自由曲面求解方法复杂，公式繁多，不容易理解，设计过程漫长。

为此，如何提高照明区域照度均匀度和光能利用率，降低电能的消耗，成为各LED照明生产企业亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能提高照明区域照度均匀度和光能利用率、降低电能消耗、设计简单且容易理解的高均匀照度的LED反光杯设计方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

根据所需照明高度和照明半径，以将LED部分出射光重新调配，使之反射到相应的位置，与直接出射的光叠加在照明区域上，达到均匀照明的效果为目的，求解出LED反光杯自由曲面的离散数据点，再将离散数据点导入SolidWorks进行建模，从而得出LED反光杯。

其中，求解LED反光杯自由曲面离散数据点的过程如下：

设LED位于直角坐标系原点，直接出射光与Z轴的夹角为θ_i，补偿光入射光线与Z轴的夹角为θ_a，h为LED和目标照明面的垂直距离(即照明高度)，R为照明区域半径，初始迭代点为(x₀,y₀)。

到达目标照明面的能量除了LED光源直射部分之外，还包括反光杯反射回来的能量，设为补偿光。假设其总光通量Φ＝π(便于计算)，光通量计算公式为：

当θ从(与对称轴)0度积分到90度即为总光通量：

由已假设其总光通量Φ＝π可得，中心光强I₀为：

而光通量与照度的关系式为：

Φ＝E₀S

由于要求实现均匀照明，可认为目标照明上的E为定值E₀，而照明区域半径为R，照明面积S＝πR²，可得：

设一定夹角内直接出射的光通量为Φ_i，一定夹角内补偿光光通量为Φ_α,两者对应的总的光通量Φ_β＝Φ_i+Φ_α，假设出射角θ_imax为45°，将直接出射角θ_i从0°到θ_imax的出射光线设为N等份的射线，i＝1,2,3…n，r_i为出射光线角度为θ_i的光线投射的位置，S_i为半径为r_i的圆的面积,Φ_β为S_i区域为达到E₀照度应有的光通量。即该区域应有的光通量为

Φ＝E₀S_i

根据两部分光通量的关系Φ_β＝Φ_i+Φ_a，由光通量计算公式可得：

求得：

从而求得补偿光光通量Φ_α对应的补偿光角度θ_a，并根据θ_a确定补偿光入射光线的矢量；

光线为具有方向的几何线，用向量表示，基本定律也可以用向量公式表达出来。在求解任意一条空间光线经界面折反射后的方向，应用矢量形式的折射定律和snell定律来计算：

n'(A₀'×N)＝n(A₀×N)

其中，n'为折射光传播介质的折射率，n为入射光传播介质的折射率，A₀′为反射光的单位矢量形式，A₀为补偿光的入射光单位矢量形式，N为交界面法向量。

根据i＝1,2,3…n，当i＝0时，θ₀＝0°，由上述公式求得θ_a0＝90°，A₀＝(sinθ_a0,cosθ_a0)经过初始点反射，变为A₀′，A₀′反射到照明面上的半径为r₀，A₀′＝(-r₀-x₀,h)，由snell定律可得其反射界面法向量从而求得初始点x₀的曲率其中，N₀(1,2)指N₀矩阵的第一行的第二列的数，即z轴方向的分量，N₀(1,1)指N₀矩阵的第一行的第一列的数，即x轴方向的分量，从而求得第一迭代点切线方程为：

z＝k₀(x-x₀)+z₀

当i＝1时，求出θ₁，其对应的半径为r₁＝h*tanθ₁；

由上述公式求得θ_a1，即求得光线矢量A₁＝(sinθ_α1,cos8_α1)，即补偿光的入射光线方程为z＝x*cotθ_a1，联立第一个迭代点的切线得：

求出(x₁,z₁)，即下一迭代点。

以此类推，不断用上一个迭代点的切线迭代求解下一个迭代点直到θ_imax，求出的所有迭代点储存进集合(u,v)中。

本方案原理如下：

根据所需照明高度和照明半径，以将LED部分出射光重新调配，使之反射到相应的位置，与直接出射的光叠加在照明区域上，达到均匀照明的效果为目的，将一定角度的光线按一定角度细分，使每一个角度的光线都得到相应配光调节，并求解出此时LED反光杯自由曲面的离散数据点，再将离散数据点导入SolidWorks进行建模，从而得出LED反光杯。

与现有技术相比，本方案根据LED朗伯体辐射特性和目标照明面均匀照明要求建立方程，求出一系列离散点，求出自由曲面，与传统光学设计相比，设计更加精准，大大提高了照明区域照度均匀度和光能利用率，降低电能消耗，是传统光学设计不能比拟的，而且本方案设计简单，容易理解。

附图说明

图1为本发明一种高均匀照度的LED反光杯设计方法的流程图；

图2为本发明中的反光杯光补偿原理图；

图3为本发明中的光线尺量图；

图4为本发明实施例例子中的反光杯自由曲面离散数据点示意图；

图5为本发明实施例例子中通过Solidworks建模后得出的反光杯的模型图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1-2所示，本实施例所述的一种高均匀照度的LED反光杯设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据所需照明高度和照明半径，将一定角度的光线按一定角度细分，使每一个角度的光线都得到相应配光调节，并求解出此时LED反光杯自由曲面的离散数据点。

求解LED反光杯自由曲面离散数据点的过程如下：

设LED位于直角坐标系原点，直接出射光与Z轴的夹角为θ_i，补偿光入射光线与Z轴的夹角为θ_a，h为LED和目标照明面的垂直距离(即照明高度)，R为照明区域半径(即r_max)，初始迭代点为(x₀,y₀)；

假设其总光通量Φ＝π(便于计算)，光通量计算公式为：

当θ从(与对称轴)0度积分到90度即为总光通量：

由已假设其总光通量Φ＝π可得，中心光强I₀为：

而光通量与照度的关系式为：

Φ＝E₀S

由于要求实现均匀照明，可认为目标照明上的E为定值E₀，而照明区域半径为R，照明面积S＝πR²，可得：

设一定夹角内直接出射的光通量为Φ_i，一定夹角内补偿光光通量为Φ_α,两者对应的总的光通量Φ_β＝Φ_i+Φ_α，假设出射角θ_imax为45°，将直接出射角θ_i从0°到θ_imax的出射光线设为N等份的射线，i＝1,2,3…n，r_i为出射光线角度为θ_i的光线投射的位置，S_i为半径为r_i的圆的面积。即该区域应有的光通量为

Φ＝E₀S

根据两部分光通量的关系Φ_β＝Φ_i+Φ_α，由光通量计算公式可得：

求得：

从而求得补偿光光通量Φ_α对应的补偿光角度θ_a，并根据θ_a确定补偿光入射光线的矢量；

如图3所示，在求解任意一条空间光线经界面折反射后的方向，应用矢量形式的折射定律和snell定律来计算：

n'(A₀'×N)＝n(A₀×N)

其中，n'为折射光传播介质的折射率，n为入射光传播介质的折射率，A₀′为反射光的单位矢量形式，A₀为补偿光的入射光单位矢量形式，N为交界面法向量。

根据i＝1,2,3…n，当i＝0时，θ₀＝0°，由上述公式求得θ_a0＝90°，A₀＝(sinθ_a0,cosθ_a0)经过初始点反射，变为A₀′，A₀′反射到照明面上的半径为r₀，，A₀′＝(-r₀-x₀,h)，由snell定律可得其反射界面法向量从而求得初始点x₀的曲率其中，N₀(1,2)指N₀矩阵的第一行的第二列的数，即z轴方向的分量，N₀(1,1)指N₀矩阵的第一行的第一列的数，即x轴方向的分量，从而求得第一迭代点切线方程为：

z＝k₀(x-x₀)+z₀

当i＝1时，求出θ₁，其对应的半径为r₁＝h*tanθ₁；

由上述公式求得θ_a1，即求得光线矢量A₁＝(sinθ_α1，Cosθ_a1)，即补偿光的入射光线方程为z＝x*cotθ_a1，联立第一个迭代点的切线得：

求出(x₁,z₁)，即下一迭代点。

以此类推，不断用上一个离散点的切线迭代求解下一个离散点直到θ_imax，求出的所有离散点储存进集合(u,v)中。

步骤S2：将储存所有离散点的集合(u,v)导入SolidWorks进行建模，得出LED反光杯。

例子：

设使用反光杯后的LED的照明半径R为3000mm，照明距离h为3000mm，x₀＝5mm，Δθ_i＝0.1°，经过本实施例LED反光杯自由曲面离散数据点的求解步骤后，得出如图4所示，可见此反光杯深度约为7mm。

将离散数据导入SolidWorks建模后如图5所示。

设光源光通量为100lm，模拟光线数量为100万条，设置反射器内反射面为全反射属性LED尺寸分别是半径1mm。导入TracePro软件中再加上一个发光源，设置反射器内反射面为全反射属性。发现均匀度非常好，光能利用率达到96％左右，达到预期的设计效果。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高均匀照度的LED反光杯设计方法，其特征在于：根据所需照明高度和照明半径，以将LED部分出射光重新调配，使之反射到相应的位置，与直接出射的光叠加在照明区域上，达到均匀照明的效果为目的，求解出LED反光杯自由曲面的离散数据点，再将离散数据点导入SolidWorks进行建模，从而得出LED反光杯。

2.根据权利要求1所述的一种高均匀照度的LED反光杯设计方法，其特征在于：所述求解LED反光杯自由曲面离散数据点的步骤如下：

1)初始化LED照明高度h、照明半径R及反光杯初始点；

2)由总的光通量Φ和中心光强I₀的关系，求出中心光强I₀；以及通过光通量和照度的关系，求出半径为R的圆的范围内的平均照度E₀；

3)将直接出射角θ_i从0°到θ_imax的出射光线设为N等份的射线；

4)求出直接出射角θ_i对应的直接出射光通量Φ_i；

5)得知区域平均照度为E₀情况下，可求出θ_i对应区域S_i的总光通量Φ_β，根据Φ_β＝Φ_i+Φ_α，求出补偿光光通量Φ_α，以及补偿光光通量Φ_α对应的补偿光角度θ_a，并根据θ_a确定补偿光入射光线的矢量；

6)根据反光杯迭代点以及经该迭代点反射到照明面上的点，求出反射光的矢量；

7)由补偿光入射光线的矢量以及反射光的矢量，由snell定律求得其反射面法向量，从而求出迭代点处的曲率以及反光杯该点的切线方程A；

8)求θ_i+1时，对应的直接出射光通量Φ_i+1；θ_i+1对应的照明半径，及该照明半径对应的照明区域的总光通量Φ_β+1；

9)根据Φ_β+1＝Φ_i+1+Φ_α+1求出对应的补偿光光通量Φ_α+1以及补偿光角度θ_a+1，并根据θ_a+1确定对应的补偿光入射光线的矢量，得到θ_i+1时补偿光的入射光线方程B；

10)联立方程A和方程B，求出角度为θ_i+1的光线时入射到切线方程A上的点，即第二个迭代点；

11)不断用上一个离散点的切线迭代求解下一个离散点直到θ_imax，求出的所有离散点储存进集合(u,v)中。