CN111695169B - 基于固态光源的灯具光学设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于固态光源的灯具光学设计方法及系统，灯具光学设计方法包括:建立光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；建立所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合。通过构建灯具设计模型及相应数据库，只需用户提供设定的灯具目标需求，便可快速高效设计出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合方案，减少设计环节的时间和成本。

Description

基于固态光源的灯具光学设计方法及系统

技术领域

本发明涉及照明灯具领域，特别涉及基于固态光源的灯具光学设计方法及系统。

背景技术

非成像光学是几何光学的一个新兴分支，伴随LED等新型固态光源照明技术的发展而快速兴起，是研究光能量传输和控制的崭新学科。目前，照明光学设计主要存在以下不足：1.针对特定光源和特定的照明目标设计的光学器件适用性不强；2.传统的光学设计方法，是将光源等效为一个点光源，对于扩展光源，如，LED、OLED等新型固态光源来讲，不能做到精确设计；3.每种灯具都要设计一套特定的光学系统或光学器件，可移植性不强。

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之一。为此，本发明提出基于固态光源的灯具光学设计方法及系统，目的在于提高灯具的系统光效率，同时平衡灯具的光学系统几何尺寸和系统光效率之间的关系，提高灯具光学设计的准确性和灵活性。

根据本发明第一方面实施例的基于固态光源的灯具光学设计方法，包括:建立光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；建立所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合。

根据本发明第一实施例的基于固态光源的灯具光学设计方法，至少具有如下有益效果：通过构建灯具设计模型及相应数据库，只需用户提供设定的灯具目标需求，便可快速高效设计出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合方案，减少设计环节的时间和成本，并且引入至少三次光学设计的配光方案，由一次光学的光源结构与二次光学的光腔结构组成一级耦合空间，将光源初始的光强分布形态转变为特定的空间立体角分布形态，如平行光，特定角度的发散光；由二次光学的光腔结构与三次光学的出光面结构组成二次耦合空间，再次改变一级耦合空间的光分布状态，实现光线扩散、准直、偏转等功能。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述映射关系用于通过数值算法求解所述光源结构在立体空间中与所述目标需求对应的目标离散点，所述目标离散点用于从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中获取对应的光腔结构、出光面结构。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述灯具光学设计方法还包括根据所述最优组合的光源结构、光腔结构、出光面结构构建三维模型，并将所述三维模型导入光学模拟软件进行仿真以验证设计效果。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述三维模型通过三维建模软件对所述目标离散点进行拟合重建，生成连续平滑的几何包络曲面组，再经过优化几何包络曲面组并添加辅助几何表面来生成。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述光源结构的特征数据包括配光曲线和/或光源数据文件，所述特征数据用于定义光源属性。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述光源属性至少包括封装形式、光源尺寸、发光角度以及光通量中的一种或多种。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述光腔结构至少包括透镜、反光杯、导光板、扩散板中的一种或多种。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述出光面结构至少包括微结构膜、面罩、玻璃板中的一种或多种。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述目标需求至少包括出光角、光斑形状、光斑面积中的一种或多种。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述设定灯具的目标需求时还设置有耦合次数选项，以用于确定自动添加光腔结构的数量和种类。

根据本发明第二方面实施例的基于固态光源的灯具光学设计系统，包括：数据库，所述数据库包括光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；参数设置模块，所述参数设置模块用于从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；数学运算模型，所述数学运算模型包括至少一种所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，用于根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合。

根据本发明第二实施例的基于固态光源的灯具光学设计系统，至少具有如下有益效果：系统通过构建灯具设计模型及相应数据库，只需用户提供设定的灯具目标需求，便可快速高效设计出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合方案，减少设计环节的时间和成本，并且引入至少三次光学设计的配光方案，由一次光学的光源结构与二次光学的光腔结构组成一级耦合空间，将光源初始的光强分布形态转变为特定的空间立体角分布形态，如平行光，特定角度的发散光；由二次光学的光腔结构与三次光学的出光面结构组成二次耦合空间，再次改变一级耦合空间的光分布状态，实现光线扩散、准直、偏转等功能。

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为本发明第一方面实施例的灯具光学设计方法流程图；

图2为本发明第一方面实施例的射灯设计示意图；

图3为本发明第二方面实施例的灯具光学设计系统框图。

附图标记：

光源结构100、光腔结构200、出光面结构300。

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，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本技术方案的发明构思是从灯具的基本结构上分析，根据光学特性和非成像光学理论和方法，将LED灯具的光学结构划分为三个部分即光源结构、光腔结构、出光面结构；光学特性划分为：第一是光源本身表现出来的光学特性为灯具一次光学，第二是灯具光学特性的调整阶段称为灯具的二次光学，第三是灯具光学特征的表现阶段称为灯具的三次光学，通过灯LED灯具的结构和光学特征分析，建立了这一LED灯具的设计方法。

参考图1所示，为本技术方案第一方面实施例的基于固态光源的灯具光学设计方法，包括:

建立光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；

从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；

建立所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，映射关系依据费马原理、独立传播原理、光路可逆原理、反射定律、折射定律等来建立；根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合。最优组合的评判是通过将阻尼最小二乘法和边界约束条件应用到光学设计中求解出评价函数，实现多级耦合空间的优化。

通过构建灯具设计模型及相应数据库，只需用户提供设定的灯具目标需求，便可快速高效设计出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合方案，减少设计环节的时间和成本，并且引入至少三次光学设计的配光方案，由一次光学的光源结构与二次光学的光腔结构组成一级耦合空间，将光源初始的光强分布形态转变为特定的空间立体角分布形态，如平行光，特定角度的发散光；

在不改变灯具结构尺寸和第一层级的前提下，为了使光学系统或灯具具备更多的出光形式和光分布形态，我们应用利用微结构原理在原有的机构基础上增加一种新型光学扩展量压缩器件，我们称之为二级耦合空间。他的特点是充分利用灯具现有的面罩、装饰、防潮、防尘器件，对其重新赋予光学属性。由二次光学的光腔结构与三次光学的出光面结构组成二次耦合空间，再次改变一级耦合空间的光分布状态，实现光线扩散、准直、偏转等功能。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述映射关系用于通过数值算法求解所述光源结构在立体空间中与所述目标需求对应的目标离散点，所述目标离散点用于从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中获取对应的光腔结构、出光面结构。

1、根据给定的映射关系和折射、反射定律得到常微分方程，

再通过数值方法求得离散点。此方程主要适用于用于旋转对称的均匀照明系统。

其中，H：光源到光线投射区域的距离，θ：光线与光源法向的夹角，l：目标点到投射点的距离。r：矢径长度,加入修正公式

其中，δ为修正因子

2、根据给定的映射关系和折射、反射定律得到一组偏微分方程组，

其中,

θ：入射光线与z轴的夹角，入射光线在xoy平面中的投影与x轴的夹角，ρ：矢径长度，x、y、z分别为三相坐标。K为岀射光的模

再通过数值方法求得离散点。此方程用于实现扩散、偏转等非对称照明系统。

3、一阶偏微分方程组的另一种形式。

其中,

以上均可通过龙格-库塔数值方法求解离散点坐标。用于实现扩散、偏转等非对称照明系统，方程2的一种变形。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述灯具光学设计方法还包括根据所述最优组合的光源结构、光腔结构、出光面结构构建三维模型，并将所述三维模型导入光学模拟软件进行仿真以验证设计效果。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述三维模型通过三维建模软件对所述目标离散点进行拟合重建，生成连续平滑的几何包络曲面组，再经过优化几何包络曲面组并添加辅助几何表面来生成；再对三维模型赋予材料属性，如、材料的种类，材料的反射率或折射率等特征参数，以完成配光器件的构建。

验证效果时再将上述三维模型导入光学模拟软件，如TracePro，Lighttools等进行光线追迹，对导入的光学系统进行匹配优化。此过程可以由软件功能自动运行，结束后返回分析设计结果。也可以在优化前手动输入或更改参数设置。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述光源结构的特征数据包括配光曲线和/或光源数据文件，所述特征数据用于定义光源属性。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述光源属性至少包括封装形式、光源尺寸、发光角度以及光通量中的一种或多种。封装形式包括现有的贴片式、直插式、倒装式、COB等。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述光腔结构至少包括透镜、反光杯、导光板、扩散板中的一种或多种。具体选择时，可以按产品的光学功能要求，选取反射、折/透射、散射类型中的一种或几种进行组合。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述出光面结构至少包括微结构膜、面罩、玻璃板中的一种或多种。其中，优选微结构膜作为出光面结构，微结构膜以光学扩展量理论为基础，将微小光学理论和薄膜光学理论运用到灯具二次、三次甚至多次光学设计中。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述设定灯具的目标需求时还设置有耦合次数选项，以用于确定自动添加光腔结构的数量和种类。

为了得到特殊的照明效果，通过增加耦合空间的数量，以达到最终需要的结果，进而形成最高效的光传输效率。比如，在从光源到灯具出光面之间的合适位置，光源(一次)到透镜(二次)，再到反光杯(三次)，最后到微结构膜或灯具面罩(四次)。在一个灯具光学体系中建立多级耦合空间，实现多次光学扩展量压缩。通过设置不同耦合空间中光学扩展量的压缩比，改变系统的岀射光的光分布形式，得到如矩形、椭圆形的光斑效果。从而使系统光学效率得到提高，更节能。

大多数光学系统为一次光学或二次光学设计，随着光学设计次数的增加，导致光学系统繁杂，结构空间增加，进而增加产品成本。我们将微小光学理论和薄膜光学理论引入到多次光学设计中，设计出新型的光学扩展量压缩器件，不对产品结构产生任何影响。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述目标需求至少包括出光角、光斑形状、光斑面积中的一种或多种。

除此之外，通过软件集成方案对光学系统整合，为用户提供专业的光源，材料、光学器件的数据库平台，为光学系统的多级光学耦合设计提供便利的查询功能。

如图2所示，以射灯为例，光束角36度，要求整体光效＞85lm/W，被照面光斑均匀度大于0.9，其步骤如下：

1、设置光源属性，可在软件自带的光源结构库中选择光源类型，也可以通过如尺寸，光通量、数据文件等自定义光源属性在光源结构库中新增光源结构。

2、设置目标要求，可定义灯具的光束角36度，也可以定义特定距离处光斑的形状和面积。

3、设置光学系统的属性，光线耦合次数、材料类型，折射率、反射率等参数。

4、运行软件自动设计功能，如本例，选择二次耦合，系统将自动添加透镜和微结构膜，运算过程中同过系统评价函数，选择最优的组合。

5、如需确认系统效果，可将光学系统模型导入关联的光学软件进行仿真。

6、符合设计要求，则输出系统配置清单，配置清单如：光源类型、二次光学器件(如、反光杯、透镜等)，三次光学器件、(如，微结构膜)以及光学系统的空间尺寸。否则返回设置选项，系统将对需要再次优化的参数进行提示。

如图3所示，本发明第二方面实施例的基于固态光源的灯具光学设计系统，包括：数据库，所述数据库包括光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；参数设置模块，所述参数设置模块用于从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；数学运算模型，所述数学运算模型包括至少一种所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，用于根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合。

系统通过构建灯具设计模型及相应数据库，只需用户提供设定的灯具目标需求，便可快速高效设计出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合方案，减少设计环节的时间和成本，并且引入至少三次光学设计的配光方案，由一次光学的光源结构与二次光学的光腔结构组成一级耦合空间，将光源初始的光强分布形态转变为特定的空间立体角分布形态，如平行光，特定角度的发散光；由二次光学的光腔结构与三次光学的出光面结构组成二次耦合空间，再次改变一级耦合空间的光分布状态，实现光线扩散、准直、偏转等功能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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 (9)

1.基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：包括

建立光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；

从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；

建立所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合；所述光腔结构至少包括透镜、反光杯、导光板、扩散板中的一种或多种，所述出光面结构至少包括微结构膜、面罩、玻璃板中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述映射关系用于通过数值算法求解所述光源结构在立体空间中与所述目标需求对应的目标离散点，所述目标离散点用于从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中获取对应的光腔结构、出光面结构。

3.根据权利要求2所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述灯具光学设计方法还包括根据所述最优组合的光源结构、光腔结构、出光面结构构建三维模型，并将所述三维模型导入光学模拟软件进行仿真以验证设计效果。

4.根据权利要求3所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述三维模型通过三维建模软件对所述目标离散点进行拟合重建，生成连续平滑的几何包络曲面组，再经过优化几何包络曲面组并添加辅助几何表面来生成。

5.根据权利要求1所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述光源结构的特征数据包括配光曲线和/或光源数据文件，所述特征数据用于定义光源属性。

6.根据权利要求5所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述光源属性至少包括封装形式、光源尺寸、发光角度以及光通量中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述目标需求至少包括出光角、光斑形状、光斑面积中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的基于固态光源的灯具光学设计方法，其特征在于：所述设定灯具的目标需求时还设置有耦合次数选项，以用于确定自动添加光腔结构的数量和种类。

9.基于固态光源的灯具光学设计系统，其特征在于：包括

数据库，所述数据库包括光源结构数据库、光腔结构数据库、出光面结构数据库；

参数设置模块，所述参数设置模块用于从所述光源结构数据库选择某一特征数据的光源结构，并设定灯具的目标需求；

数学运算模型，所述数学运算模型包括至少一种所述光源结构的特征数据与目标需求之间的映射关系，用于根据所述映射关系从所述光腔结构数据库、出光面结构数据库中自动添加光腔结构、出光面结构，匹配出光源结构、光腔结构、出光面结构之间的最优组合。