CN115681879A - 一种led扫海灯照明系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED扫海灯照明系统的设计方法，包括：依次设置LED光源阵列模块、匀光准直透镜阵列模块和扩束菲涅尔透镜组阵列模块；使LED光源阵列模块发出的光线依次经过匀光准直透镜阵列模块、聚光菲涅尔透镜阵列和准直菲涅尔透镜阵列；确定LED光源阵列模块到匀光准直透镜阵列模块之间的距离、匀光准直透镜阵列模块的厚度、匀光准直透镜阵列模块到聚光菲涅尔透镜阵列阵列单元的距离、聚光菲涅尔透镜阵列的厚度、准直菲涅尔透镜阵列的厚度、聚光菲涅尔透镜阵列的焦距和准直菲涅尔透镜阵列的焦距；得到LED扫海灯照明系统的长度。所述LED扫海灯照明系统的设计方法解决了现有的涉及方法不能实现灯具的小型化灯头设计的问题。

Description

一种LED扫海灯照明系统的设计方法

技术领域

本发明涉及照明领域，特别涉及一种LED扫海灯照明系统的设计方法。

背景技术

LED光源具备绿色、节能、发光面积小和可控性强等优势，在船用灯具上已经逐步替代了白炽灯和荧光灯等传统光源，更好的实现了船用灯具的各项光学性能指标。由于LED光源的光分布可控性极强，对于特殊要求的光束角完全可以通过二次配光设计实现。透镜组照明光学系统的设计是使LED光源能够形成小角度光束角并在目标平面形成均匀照明光斑的有效手段。

为实现小角度光束角设计，目前多采用自由曲面透镜来达到这个目的，自由曲面透镜虽然可以在目标平面实现既定照明，但是还存在以下问题：(1)由于COB光源发光尺寸大，发光均匀，相对于LED光源在二次配光的过程中会产生更多的杂散光；(2)COB光源和采用准直模块、光学积分器和准直扩束系统组成的照明光学系统都只能设置长焦距定焦系统实现小角度匀光照明，因此，不能实现灯具的小型化灯头设计。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种LED扫海灯照明系统的设计方法，以解决上述的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种LED扫海灯照明系统的设计方法，包括：

阵列单元设计步骤：依次设置LED光源阵列模块、匀光准直透镜阵列模块和扩束菲涅尔透镜组阵列模块，其中，所述扩束菲涅尔透镜组阵列模块包括聚光菲涅尔透镜阵列和准直菲涅尔透镜阵列；使所述LED光源阵列模块发出的光线依次经过所述匀光准直透镜阵列模块、聚光菲涅尔透镜阵列和准直菲涅尔透镜阵列；

长度设计步骤：确定LED光源阵列模块到匀光准直透镜阵列模块之间的距离x₁、匀光准直透镜阵列模块的厚度d₁、匀光准直透镜阵列模块到聚光菲涅尔透镜阵列的距离x₂、聚光菲涅尔透镜阵列的厚度d₂、准直菲涅尔透镜阵列的厚度d₃、聚光菲涅尔透镜阵列的焦距f₁和准直菲涅尔透镜阵列的焦距f₂；计算聚光菲涅尔透镜阵列到准直菲涅尔透镜阵列的距离x₃＝f₁+f₂，其中f₁和f₂满足比例关系；得到所述LED扫海灯照明系统的长度x＝x₁+d₁+x₂+d₂+x₃+d₃。

值得说明的是，所述设计方法还包括扩束性能设计步骤：

设计所述聚光菲涅尔透镜阵列的直径

和准直菲涅尔透镜阵列的直径

得到所述LED扫海灯照明系统的扩束性能

可选的，所述设计方法还包括光能利用率设计步骤：

设计所述LED光源阵列模块的光通量φ₁和所述匀光准直透镜阵列模块的光通量φ₂，得到所述LED扫海灯照明系统的光能利用率

具体地，在所述光能利用率设计步骤中，所述LED光源阵列模块的光通量

其中，L为所述LED光源阵列模块的亮度，dA为距离所述LED光源阵列模块一定距离的元面积，θ为所述匀光准直透镜阵列模块对应所述LED光源阵列模块的出光角度，

为所述匀光准直透镜阵列模块的口径，x₁为所述LED光源阵列模块距离所述匀光准直透镜阵列模块的距离。

优选的，在所述阵列单元设计步骤中，将所述匀光准直透镜阵列模块的匀光自由曲面朝向所述LED光源阵列模块，将所述匀光准直透镜阵列模块的准直自由曲面朝向所述聚光菲涅尔透镜阵列。

值得说明的是，所述阵列单元设计步骤还包括：

建立坐标系；

建立匀光自由曲面在坐标系上的坐标，具体为：

设定匀光自由曲面的初始点，迭代计算匀光自由曲面射出的光线的第一轮廓线上的点坐标

得到所述第一轮廓线，其中，(x_1i+1,y_1i+1)为当前迭代需要计算的点坐标，(x_1i,y_1i)为前一个点坐标，k_1i为前一个点坐标对应的斜率，α_i+1为当前的点坐标对应的光源出光角度；将第一轮廓线以坐标系的y轴为中心轴旋转360°得到匀光自由曲面在坐标系上的坐标。

可选的，在所述阵列单元设计步骤的建立匀光自由曲面在坐标系上的坐标的过程中，设定匀光自由曲面的初始点的点坐标为(0，3)，设定匀光自由曲面的点坐标对应的斜率

其中，α为光线入射到匀光自由曲面的角度，β为匀光自由曲面出射光线的角度，n为匀光准直透镜阵列模块中匀光准直透镜的介质折射率。

具体地，所述阵列单元设计步骤还包括：

建立准直自由曲面在坐标系上的坐标，具体为：

设定准直自由曲面的初始点，其中，所述准直自由曲面的初始点为所述匀光自由曲面边缘出射光线上根据匀光准直透镜阵列模块的厚度d₁要求选取的一个点，其中d₁为匀光准直透镜阵列模块的厚度；

迭代计算准直自由曲面射出的光线的第二轮廓线上的点坐标

得到所述第二轮廓线，其中(x_2i+1,y_2i+1)为准直自由曲面的起始点，(x_2i,y_2i)为准直自由曲面的起始点的下一个点坐标，βi+1是准直自由曲面的起始点坐标的入射光线角度；将第二轮廓曲线以坐标系的y轴为中心轴旋转360°得到准直自由曲面在坐标系上的坐标。

优选的，所述阵列单元设计步骤还包括：

于聚光菲涅尔透镜阵列设置聚光平面和聚光菲涅尔面；

所述聚光平面垂直接收匀光准直透镜阵列模块的出射光线，针对聚光菲涅尔面进行等宽度划分，得到不同环带对应的入射光线相对应的环带的曲率半径，使匀光准直透镜阵列模块的出射光线经过聚光菲涅尔透镜阵列会聚到一个最佳像面处。

值得说明的是，所述阵列单元设计步骤还包括：

于所述准直菲涅尔透镜阵列设置准直平面和准直菲涅尔面；

所述准直平面接收所述聚光菲涅尔透镜阵列的最佳像面射出的光线，针对所述准直菲涅尔面进行等宽度划分，得到不同环带对应的入射光线相对应的环带的曲率半径，使所述聚光菲涅尔透镜阵列的最佳像面射出的光线经过准直菲涅尔透镜阵列形成小角度的准直光线。

本发明的有益效果在于：在所述LED扫海灯照明系统的设计方法中，由于聚光菲涅尔透镜阵列的焦距与准直菲涅尔透镜阵列的焦距之间只要满足比例关系即可实现理想的照明效果，通过改变扩束菲涅尔透镜组阵列模块中的准直菲涅尔透镜阵列与聚光菲涅尔透镜阵列之间的焦距比就能调整所述LED扫海灯照明系统的长度，如此，采用成像设计原理，通过调整准直菲涅尔透镜阵列与聚光菲涅尔透镜阵列之间的焦距比实现调节所述LED扫海灯照明系统的长度，能够更好的压缩所述LED扫海灯照明系统的长度，实现小角度均匀照明。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中LED扫海灯照明系统的设计方法的流程图；

图2为本发明的一个实施例中LED扫海灯照明系统的光路图；

图3为本发明的一个实施例中LED扫海灯照明系统的结构图；

图4为本发明的另一个实施例中单通道的LED扫海灯照明系统的光路图；

图5为本发明的一个实施例中匀光准直透镜阵列模块的结构图；

图6为本发明的一个实施例中匀光准直透镜阵列模块的数学建模图；

图7为本发明的一个实施例中聚光菲涅尔透镜的结构图

图8为本发明的一个实施例中准直菲涅尔透镜的结构图；

图中：1LED光源阵列模块；2匀光准直透镜阵列模块；21匀光自由曲面；22准直自由曲面；3扩束菲涅尔透镜组阵列模块；31聚光菲涅尔透镜阵列；311聚光平面；312聚光菲涅尔面；32准直菲涅尔透镜阵列；321准直平面；322准直菲涅尔面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-8所示，一种LED扫海灯照明系统的设计方法，包括：

阵列单元设计步骤：依次设置LED光源阵列模块1、匀光准直透镜阵列模块2和扩束菲涅尔透镜组阵列模块3，其中，所述扩束菲涅尔透镜组阵列模块3包括聚光菲涅尔透镜阵列31和准直菲涅尔透镜阵列32；使所述LED光源阵列模块1发出的光线依次经过所述匀光准直透镜阵列模块2、聚光菲涅尔透镜阵列31和准直菲涅尔透镜阵列32；

长度设计步骤：确定LED光源阵列模块1到匀光准直透镜阵列模块2之间的距离x₁、匀光准直透镜阵列模块2的厚度d₁、匀光准直透镜阵列模块2到聚光菲涅尔透镜阵列31的距离x₂、聚光菲涅尔透镜阵列31的厚度d₂、准直菲涅尔透镜阵列32的厚度d₃、聚光菲涅尔透镜阵列31的焦距f₁和准直菲涅尔透镜阵列32的焦距f₂；计算聚光菲涅尔透镜阵列31到准直菲涅尔透镜阵列32的距离x₃＝f₁+f₂，其中f₁和f₂满足比例关系；得到所述LED扫海灯照明系统的长度x＝x₁+d₁+x₂+d₂+x₃+d₃。

在所述LED扫海灯照明系统的设计方法中，由于聚光菲涅尔透镜阵列31的焦距与准直菲涅尔透镜阵列32的焦距之间只要满足比例关系即可实现理想的照明效果，通过改变扩束菲涅尔透镜组阵列模块3中的准直菲涅尔透镜阵列32与聚光菲涅尔透镜阵列31之间的焦距比就能调整所述LED扫海灯照明系统的长度，如此，采用成像设计原理，通过调整准直菲涅尔透镜阵列32与聚光菲涅尔透镜阵列31之间的焦距比实现调节所述LED扫海灯照明系统的长度，能够更好的压缩所述LED扫海灯照明系统的长度，实现小角度均匀照明。

值得说明的是，所述设计方法还包括扩束性能设计步骤：

设计所述聚光菲涅尔透镜阵列31的直径

和准直菲涅尔透镜阵列32的直径

得到所述LED扫海灯照明系统的扩束性能

通过改变扩束菲涅尔透镜组阵列模块3中的准直菲涅尔透镜阵列32与聚光菲涅尔透镜阵列31的直径比就能改变所述LED扫海灯照明系统的扩束性能。

具体地，所述设计方法还包括光能利用率设计步骤：

设计所述LED光源阵列模块1的光通量φ₁和所述匀光准直透镜阵列模块2的光通量φ₂，得到所述LED扫海灯照明系统的光能利用率

所述LED光源阵列模块1的出射光线照射入匀光准直透镜阵列模块2的光通量取决于匀光准直透镜阵列模块2的口径，射入匀光准直透镜阵列模块2的光通量与LED光源阵列模块1的出射光通量的比值决定了该光学系统的光能利用率。

可选的，在所述光能利用率设计步骤中，所述LED光源阵列模块1的光通量

其中，L为所述LED光源阵列模块1的亮度，dA为距离所述LED光源阵列模块1一定距离的元面积，θ为所述匀光准直透镜阵列模块2对应所述LED光源阵列模块1的出光角度，

为所述匀光准直透镜阵列模块2的口径，x₁为所述LED光源阵列模块1距离所述匀光准直透镜阵列模块2的距离。

优选的，在所述阵列单元设计步骤中，将所述匀光准直透镜阵列模块2的匀光自由曲面21朝向所述LED光源阵列模块1，将所述匀光准直透镜阵列模块2的准直自由曲面22朝向所述聚光菲涅尔透镜阵列31。

如图2-6所示，所述匀光自由曲面21将所述LED光源阵列模块1发出的光线进行折射，使折射后的光线配光均匀，折射后的光线经过所述准直自由曲面22后折射形成与坐标系的y轴平行的准直光线，然后射入到所述聚光菲涅尔透镜阵列31。所述聚光菲涅尔透镜阵列31用于将准直自由曲面22射出的准直光线会聚到一个最佳像点；准直菲涅尔透镜阵列32用于将由最佳像点射出的光线再次准直，形成小角度照明。

值得说明的是，如图6所示，所述阵列单元设计步骤还包括：

建立坐标系；

建立匀光自由曲面21在坐标系上的坐标，具体为：

设定匀光自由曲面21的初始点，迭代计算匀光自由曲面21射出的光线的第一轮廓线上的点坐标

得到所述第一轮廓线，其中，(x_1i+1,y_1i+1)为当前迭代需要计算的点坐标，(x_1i,y_1i)为前一个点坐标，k_1i为前一个点坐标对应的斜率，α_i+1为当前的点坐标对应的光源出光角度；将第一轮廓线以坐标系的y轴为中心轴旋转360°得到匀光自由曲面21在坐标系上的坐标。

如图7所示，所述匀光自由曲面21根据能量守恒定律，将所述LED光源阵列模块1发出的光线的光能量空间分布划分为N份等光通量的圆环能量单元，将目标平面划分N份等面积圆环单元，根据能量守恒定律和边线原理将等光通量的圆环能量单元入射到等面积圆环单元上，在目标面上实现均匀辐照度分布。

当前的点坐标对应的光源出光角度α_i+1为根据经过匀光自由曲面21折射得到边缘光线的方向。通过改变扩束菲涅尔透镜组阵列模块3中的准直菲涅尔透镜阵列32与聚光菲涅尔透镜阵列31的直径比就能改变所述LED扫海灯照明系统的扩束性能。

一些实施例中，在所述阵列单元设计步骤的建立匀光自由曲面21在坐标系上的坐标的过程中，设定匀光自由曲面21的初始点的点坐标为(0，3)，设定匀光自由曲面21的点坐标对应的斜率

其中，α为光线入射到匀光自由曲面21的角度，β为匀光自由曲面21出射光线的角度，n为匀光准直透镜阵列模块中匀光准直透镜的介质折射率。

根据能量守恒定律可知：

其中，I₁为匀光前的光强，I₂为匀光后的光强，α为光线入射到匀光自由曲面21的角度，β为匀光自由曲面21出射光线的角度，Ω为立体角。求解积分后求β与α之间的函数关系式为：

其中I₀为中心光强；根据斯涅耳定律可知：n₁sinα＝n₂sinβ，其中n₁为一种物质折射率，n₂为另一种物质折射率；得到匀光自由曲面的点坐标对应的斜率：

可选的，所述阵列单元设计步骤还包括：

建立准直自由曲面22在坐标系上的坐标，具体为：

设定准直自由曲面22的初始点，其中，所述准直自由曲面22的初始点为在匀光自由曲面21边缘出射光线上根据匀光准直透镜阵列模块的厚度d₁要求选取的一个点，其中d₁为匀光准直透镜阵列模块2的厚度；

迭代计算准直自由曲面22射出的光线的第二轮廓线上的点坐标

得到所述第二轮廓线，其中(x_2i+1,y_2i+1)为准直自由曲面22的起始点，(x_2i,y_2i)为准直自由曲面22的起始点的下一个点坐标，βi+1是准直自由曲面22的起始点坐标的入射光线角度；将第二轮廓曲线以坐标系的y轴为中心轴旋转360°得到准直自由曲面22在坐标系上的坐标。

匀光准直透镜阵列模块2的准直自由曲面22上的点与匀光自由曲面21上的点一一对应，根据折射定律，将经过匀光自由曲面21上的出射光线，经过准直自由曲面22折射成准直光线。根据斯涅尔定律，前一个点坐标对应的斜率

优选的，如图7所示，所述阵列单元设计步骤还包括：

于聚光菲涅尔透镜阵列31设置聚光平面311和聚光菲涅尔面312；

所述聚光平面311垂直接收匀光准直透镜阵列模块2的出射光线，针对聚光菲涅尔面312进行等宽度划分，得到不同环带对应的入射光线相对应的环带的曲率半径，使匀光准直透镜阵列模块2的出射光线经过聚光菲涅尔透镜阵列31会聚到一个最佳像面处。

值得说明的是，如图8所示，所述阵列单元设计步骤还包括：

于所述准直菲涅尔透镜阵列32设置准直平面321和准直菲涅尔面322；

所述准直平面321接收所述聚光菲涅尔透镜阵列31的最佳像面射出的光线，针对所述准直菲涅尔面322进行等宽度划分，得到不同环带对应的入射光线相对应的环带的曲率半径，使所述聚光菲涅尔透镜阵列31的最佳像面射出的光线经过准直菲涅尔透镜阵列32形成小角度的准直光线。

当匀光准直透镜阵列模块2的口径为20mm，光能利用率为0.7，扩束性能值为1.6时，所述LED扫海灯照明系统的光学性能最佳，光学系统的长度为130mm。所述LED扫海灯照明系统的平均光束角为1.8°，在200m的接受面上形成面积为1.2m*1.2m的均匀光斑，其光斑的平均辐照度值为193lux，照度均匀度为0.8。所述LED扫海灯照明系统的光能利用率高，均匀度佳。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，包括：

阵列单元设计步骤：依次设置LED光源阵列模块、匀光准直透镜阵列模块和扩束菲涅尔透镜组阵列模块，其中，所述扩束菲涅尔透镜组阵列模块包括聚光菲涅尔透镜阵列和准直菲涅尔透镜阵列；使所述LED光源阵列模块发出的光线依次经过所述匀光准直透镜阵列模块、聚光菲涅尔透镜阵列和准直菲涅尔透镜阵列；

长度设计步骤：确定LED光源阵列模块到匀光准直透镜阵列模块之间的距离x₁、匀光准直透镜阵列模块的厚度d₁、匀光准直透镜阵列模块到聚光菲涅尔透镜阵列的距离x₂、聚光菲涅尔透镜阵列的厚度d₂、准直菲涅尔透镜阵列的厚度d₃、聚光菲涅尔透镜阵列的焦距f₁和准直菲涅尔透镜阵列的焦距f₂；计算聚光菲涅尔透镜阵列到准直菲涅尔透镜阵列的距离x₃＝f₁+f₂，其中f₁和f₂满足比例关系；得到所述LED扫海灯照明系统的长度x＝x₁+d₁+x₂+d₂+x₃+d₃。

2.根据权利要求1所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括扩束性能设计步骤：

设计所述聚光菲涅尔透镜阵列中聚光菲涅尔透镜的直径

和准直菲涅尔透镜阵列中准直菲涅尔透镜的直径

得到所述LED扫海灯照明系统的扩束性能

3.根据权利要求2所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于：所述设计方法还包括光能利用率设计步骤：

设计所述LED光源阵列模块的光通量φ₁和所述匀光准直透镜阵列模块的光通量φ₂，得到所述LED扫海灯照明系统的光能利用率

4.根据权利要求3所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于：在所述光能利用率设计步骤中，所述LED光源阵列模块的光通量

其中，L为所述LED光源阵列模块的亮度，dA为距离所述LED光源阵列模块一定距离的元面积，θ为所述匀光准直透镜阵列模块对应所述LED光源阵列模块的出光角度，

为所述匀光准直透镜阵列模块的口径，x₁为所述LED光源阵列模块距离所述匀光准直透镜阵列模块的距离。

5.根据权利要求4所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于：在所述阵列单元设计步骤中，将所述匀光准直透镜阵列模块的匀光自由曲面朝向所述LED光源阵列模块，将所述匀光准直透镜阵列模块的准直自由曲面朝向所述聚光菲涅尔透镜阵列。

6.根据权利要求5所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，所述阵列单元设计步骤还包括：

建立坐标系；

建立匀光自由曲面在坐标系上的坐标，具体为：

设定匀光自由曲面的初始点，迭代计算匀光自由曲面射出的光线的第一轮廓线上的点坐标

得到所述第一轮廓线，其中，(x_1i+1,y_1i+1)为当前迭代需要计算的点坐标，(x_1i,y_1i)为前一个点坐标，k_1i为前一个点坐标对应的斜率，α_i+1为当前的点坐标对应的光源出光角度；将第一轮廓线以坐标系的y轴为中心轴旋转360°得到匀光自由曲面在坐标系上的坐标。

7.根据权利要求6所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，在所述阵列单元设计步骤的建立匀光自由曲面在坐标系上的坐标的过程中，设定匀光自由曲面的初始点的点坐标为(0，3)，设定匀光自由曲面的点坐标对应的斜率

其中，α为光线入射到匀光自由曲面的角度，β为匀光自由曲面出射光线的角度，n为匀光准直透镜阵列模块中匀光准直透镜的介质折射率。

8.根据权利要求7所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，所述阵列单元设计步骤还包括：

建立准直自由曲面在坐标系上的坐标，具体为：

设定准直自由曲面的初始点，其中，所述准直自由曲面的初始点为所述匀光自由曲面边缘出射光线上根据匀光准直透镜阵列模块的厚度d₁要求选取的一个点，其中d₁为匀光准直透镜阵列模块的厚度；

迭代计算准直自由曲面射出的光线的第二轮廓线上的点坐标

得到所述第二轮廓线，其中(x_2i+1，y_2i+1)为准直自由曲面的起始点，(x_2i,y_2i)为准直自由曲面的起始点的下一个点坐标，β_i+1是准直自由曲面的起始点坐标的入射光线角度；将第二轮廓曲线以坐标系的y轴为中心轴旋转360°得到准直自由曲面在坐标系上的坐标。

9.根据权利要求8所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，所述阵列单元设计步骤还包括：

于聚光菲涅尔透镜阵列设置聚光平面和聚光菲涅尔面；

所述聚光平面垂直接收匀光准直透镜阵列模块的出射光线，针对聚光菲涅尔面进行等宽度划分，得到不同环带对应的入射光线相对应的环带的曲率半径，使匀光准直透镜阵列模块的出射光线经过聚光菲涅尔透镜阵列会聚到一个最佳像面处。

10.根据权利要求9所述的一种LED扫海灯照明系统的设计方法，其特征在于，所述阵列单元设计步骤还包括：

于所述准直菲涅尔透镜阵列设置准直平面和准直菲涅尔面；

所述准直平面接收所述聚光菲涅尔透镜阵列的最佳像面射出的光线，针对所述准直菲涅尔面进行等宽度划分，得到不同环带对应的入射光线相对应的环带的曲率半径，使所述聚光菲涅尔透镜阵列的最佳像面射出的光线经过准直菲涅尔透镜阵列形成小角度的准直光线。

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