TW201537104A - Led自由曲面照明系統設計 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種LED自由曲面照明系統設計，包括：將LED點光源的出射角度□劃分為三個區域，每個區域都可以分別實現在一接收面上形成一矩形光斑；獲得所述三個區域在接收面上的映射關係；對所述LED點光源進行二次配光設計，獲得一關於所述自由曲面的一階偏微分方程組；根據所述三個區域在所述接收面上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及，根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面。

Description

LED自由曲面照明系統設計
本發明涉及一種LED自由曲面照明系統設計，尤其涉及一種高均勻度LED自由曲面照明系統設計。
隨著LED照明的發展，基於LED光源的照明設計也變得越來越重要。但是由於LED光強度分佈的特點，難以實現在目標面上固定形狀區域內的均勻照明。因此必須對LED的照明系統進行二次光學設計，將LED發出的光能進行再分配，以實現在目標照明面上所需的特定形狀的均勻照明要求。
傳統的LED的照明系統採用透鏡組等方法來實現均勻照明。然而，通過透鏡組方式實現均勻照明的LED的照明系統具有體積較大、結構複雜、光能損失大等缺點。
綜上所述，確有必要提供一種高均勻、結構簡單且光能損失小的LED自由曲面照明系統設計。
一種LED自由曲面照明系統設計，包括：將LED點光源的出射角度劃分為三個區域、和，每個區域都可以分別實現在一接收面上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑，其中，為所述LED點光源的最大出射角度；分別對所述三個區域在所述接收面上的映射關係進行求解，獲得所述三個區域在接收面上的映射關係；對所述LED點光源進行二次配光設計，獲得一關於所述自由曲面的一階偏微分方程組；根據所述三個區域在所述接收面上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面。
一種LED自由曲面照明系統設計，包括：將LED點光源的出射角度劃分為至少兩個區域，每個區域都可以分別實現在一接收面上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑；分別對所述至少兩個區域在所述接收面上的映射關係進行求解，獲得所述至少兩個區域在接收面上的映射關係；對所述LED點光源進行二次配光設計，獲得一關於所述自由曲面的一階偏微分方程組；根據所述至少兩個區域在所述接收面上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面。
本發明提供的LED自由曲面照明系統設計，提出環狀透鏡結構及多對一的映射方式。通過對不同角度區域進行劃分，使不同範圍角度的光線經過相應的透鏡區域獨立形成重合的矩形光斑，既能實現在接收面上的均勻照明，又能實現讓接收面上所有的點接收到更多方向的光線的照射，進一步提高了照明均勻性。
圖1為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統的設計方法中LED點光源出射角度區域及自由曲面環狀區域的劃分示意圖。
圖2為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統的設計方法中LED點光源所發出光線映射到接收面的示意圖。
圖3為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統的設計方法中對所述LED點光源進行二次配光設計的示意圖。
圖4為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統的設計方法獲得的自由曲面透鏡的透鏡實體圖。
圖5為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統的結構及光路示意圖。
圖6為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統中的自由曲面透鏡在0°~10°區域內的LightTools光線仿真圖。
圖7為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統中的自由曲面透鏡在10°~20°區域內的LightTools光線仿真圖。
圖8為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統中的自由曲面透鏡在20°~30°區域內的LightTools光線仿真圖。
圖9為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統中通過軟體類比所獲得的一個的正方形光斑及其照度圖。
圖10為本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統中通過軟體類比所獲得的一個的正方形光斑，及沿該正方形光斑的X軸和Y軸切線的照度圖。
下面根據說明書附圖並結合具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細表述。
請參閱圖1-5，本發明實施例提供一種LED自由曲面照明系統100的設計方法包括：
S10：將LED點光源10的出射角度劃分為三個區域：、和，每個區域都可以分別實現在一接收面14上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑，其中，為所述LED點光源10的最大出射角度；
S11：分別對所述三個區域在所述接收面14上的映射關係進行求解，獲得所述三個區域在所述接收面14上的映射關係；
S12：對所述LED點光源10進行二次配光設計，獲得自由曲面124的一階偏微分方程組；
S13：根據所述三個區域在所述接收面14上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面124的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及
S14：根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面124。
請參閱圖1，在步驟S10中，所述LED點光源10的最大出射角度可以根據不同需要選擇。本實施例中，所述LED點光源10最大出射角度約為30°。另外，可以將所述LED點光源10的出射角度平均劃分為三個區域，或按照等比例劃分為三個區域，或按照任意組合劃分為三個區域。本實施例中，將所述LED點光源10的出射角度平均劃分為三個區域，即，，以及。
此外，在所述區域中，處光線經過所述自由曲面124之後照射到所述矩形光斑的中心，而，處光線經過所述自由曲面124之後照射到所述矩形光斑的邊界；在所述區域中，為了保證所述自由曲面124的連續，需使區域與區域交界處光線不能有突變，故，處光線經過所述自由曲面124之後照射到所述矩形光斑的邊界，而處光線經過所述自由曲面124之後照射到矩形光斑的中心，在所述區域中，同樣為了保證所述自由曲面124的連續，也應保證所述區域與所述區域交界處光線不能有突變，故，處光線經過所述自由曲面124之後照射到矩形光斑的中心，而處光線經過所述自由曲面124之後照射到矩形光斑的邊界。
請參閱圖2，在步驟S11中，所述矩形光斑的長2Lx 和寬2Ly 可以根據實際需要選擇。本實施例中，所述矩形光斑的長2Lx 和寬2Ly 相等，且約為20mm；即，Lx =Ly =10mm。
在區域內，光源10中心光線映射到接收面14上矩形光斑的中心；處光線映射到接收面14上所述矩形光斑的邊界，即半長和半寬為Lx 和Ly 的矩形光斑，此時應有：
，其中E為照度 （2-1）
對於區域內任一的光線映射到目標面上半長和半寬為X和Y的矩形區域邊框，根據能量守恆，有：
（2-2）
故，可以獲得所述有區域內的映射：
（2-3）
同理可得區域內的映射關係為：
（2-4）
以及，所述區域內的映射關係為：
（2-5）
根據面積等分比例關係，所述接收面14上任意一點(x,y)與矩形區域邊框(X,Y)的關係可以描述為：
（2-6）
綜上所述，在區域內的映射關係可總結為：
（2-7）
在步驟S12中，為了在所述接收面14上得到均勻的矩形光斑，需要對LED點光源10進行二次配光設計。請參照圖3，在球坐標系（θ，φ，ρ）下，入射光I的向量式可表示為：
(3-1)
P 是所述自由曲面124上任意一點，向量 P可表示為:
(3-2)
則，出射光O的向量式可表示為：
，其中，(3-3)
而，法向向量N可表示為：
(3-4)
計算化簡後，可得到向量N的運算式：
(3-5)
同時，向量I，O，N必須遵循Snell’s定律:
，其中，no 及nI 分別為空氣折射率及自由曲面透鏡12的折射率。 (3-6)
最後，可以獲得關於自由曲面124的一階偏微分方程組：
(3-7)
在步驟S13中，將(2-7)式帶入(3-7)式化簡可得關於自由曲面124的一階擬線性偏微分方程組。進一步的，採用龍哥庫塔演算法及Lax的差分格式建立演算法求解此方程組，並通過MATLAB編程從而可以獲得所述自由曲面124的複數面型資料。
在步驟S14中，根據所述複數面型資料，並採用非均勻有理B樣條（Non uniform rational B-spline，NURBS）來進行曲面擬合，從而獲得所述自由曲面124。請參照圖4，本實施例中使用基於NURBS的原理的Rhinoceros建模軟體進行曲面擬合，從而獲得含有該自由曲面124的透鏡實體。
可以理解，所述LED自由曲面照明系統100的設計方法不限於用於三個區域的設計，還可以用於至少兩個區域的設計。例如，當涉及到兩個區域的設計時，可以將LED點光源10的出射角度劃分為兩個區域，並使每個區域都可以分別實現在一接收面14上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑；分別對所述兩個區域在所述接收面14上的映射關係進行求解，獲得所述兩個區域在所述接收面14上的映射關係；對所述LED點光源10進行二次配光設計，獲得自由曲面124的一階偏微分方程組；根據所述兩個區域在所述接收面14上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面124的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面124。
本發明實施例進一步提供一種基於上述設計方法獲得的LED自由曲面照明系統100，包括一LED點光源10、一自由曲面透鏡12以及一接收面14。
所述LED自由曲面照明系統100所處的空間定義一三維直角坐標系（x，y，z）以及一球坐標系（θ，φ，ρ），且該三維直角坐標系（x，y，z）及該球坐標系（θ，φ，ρ）的原點重合。
所述LED點光源10設置於所述三維直角坐標系（x，y，z）的原點（0，0，0）。所述LED點光源10具有一最大出射角度。本實施例中，所述LED點光源10最大出射角度約為30°。所述LED點光源10在的光線與z軸重合。所述LED點光源10的直徑為1~5mm左右。所述LED點光源10的出射角度可劃分為三個區域：、和。所述LED點光源10的出射角度（）可以平均劃分為三個區域，或按照等比例劃分為三個區域，或按照任意組合劃分為三個區域。本實施例中，所述LED點光源10的出射角度平均劃分為三個區域，即，，以及。
所述自由曲面透鏡12的軸心與所述三維直角坐標系（x，y，z）的z軸重合。所述自由曲面透鏡12包括一球面122以及與一該球面122相對的自由曲面124。所述球面122為入光面，所述自由曲面124為出光面。
所述球面122的球心與所述原點（0，0，0）重合，從而使所述LED點光源10的入射光I通過所述球面122時，不會產生折射。所述球面122的半徑r可以根據實際需要選擇。
所述自由曲面124包括三個環狀區域，且所述LED點光源10的每一區域分別對應所述自由曲面124的一環狀區域。所述LED點光源10中每一區域所發出的光線經過其對應的環狀區域後都可以實現在所述接收面14上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑。所述自由曲面124在球坐標系（θ，φ，ρ）的一階偏微分方程組可表示為：
；其中，
;
，且，no 及nI 分別為空氣折射率及所述自由曲面透鏡12的折射率，z0 為所述自由曲面124與z軸的交點。本實施例中，z0 =10mm。
所述接收面14設置於所述自由曲面124的一側，且與x-y平面平行設置。所述接收面14與所述z軸的交點為zT 。所述接收面14與z軸的交點zT 取決於照射於所述接收面14上的矩形光斑的大小。本實施例中，zT 約為50mm。
可以理解，所述LED自由曲面照明系統100中的LED點光源10和自由曲面透鏡12也不限於上述方式，可以將所述最大出射角度劃分為至少兩個區域，並將所述自由曲面124也設計為與該至少兩個區域相對應的至少兩個環狀區域。例如，可以將所述最大出射角度劃分為兩個區域，並將所述自由曲面透鏡12的自由曲面124也劃分相對的兩個環狀區域，且所述LED點光源的每一區域分別對應所述自由曲面的每一環狀區域，所述LED點光源中每一區域所發出的光線經過其對應的環狀區域後在所述接收面上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑。
圖6-8分別為所述自由曲面透鏡12三個環狀區域在LightTools中的光線仿真結果。請參照圖6，從圖中可以看出，中心光線照射到矩形光斑的中心部位，邊緣光線照射到矩形光斑的邊緣部位；請參照圖7，為保證連續，中心光線照射到矩形光斑的邊緣部位，邊緣光線照射到矩形光斑的中心部位；請參照圖8，同樣，為保證連續，中心光線照射到矩形光斑的中心部位，邊緣光線照射到矩形光斑的邊緣部位。
請參照圖9-10，本發明實施例提供的LED自由曲面照明系統100系統的能量利用效率可達97.2%，均勻性可達84.3%。可以理解，當所述自由曲面124的環狀區域數量越多可以獲得更高的均勻性。
本發明提供的LED自由曲面照明系統100及其設計方法，提出環狀透鏡結構及多對一的映射方式，通過對不同角度區域進行劃分，使不同範圍角度的光線經過相應的透鏡區域獨立形成重合的矩形光斑，既能實現在接收面上的均勻照明，又能實現讓接收面上所有的點接收到更多方向的光線的照射，進一步提高了照明均勻性。另外，本發明提供的LED自由曲面照明系統100還具有結構緊湊及小型化等特點。
以上僅為本發明的優選實施案例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
100‧‧‧LED自由曲面照明系統
10‧‧‧LED點光源
12‧‧‧自由曲面透鏡
122‧‧‧球面
124‧‧‧自由曲面
14‧‧‧接收面
無
10‧‧‧LED點光源
124‧‧‧自由曲面
14‧‧‧接收面

Claims (12)

  1. 一種LED自由曲面照明系統設計，包括：
    S10：將LED點光源的出射角度劃分為三個區域、和，每個區域都可以分別實現在一接收面上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑，其中，為所述LED點光源的最大出射角度；
    S11：分別對所述三個區域在所述接收面上的映射關係進行求解，獲得所述三個區域在接收面上的映射關係；
    S12：對所述LED點光源進行二次配光設計，獲得一關於所述自由曲面的一階偏微分方程組；
    S13：根據所述三個區域在所述接收面上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及
    S14：根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面。
  2. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，所述LED點光源的出射角度平均劃分為三個區域或按照等比例劃分為三個區域。
  3. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，所述LED點光源最大出射角度為30°。
  4. 如請求項3所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，，以及。
  5. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，在區域中，處光線經過所述自由曲面之後照射到所述矩形光斑的中心，而處光線經過所述自由曲面之後照射到所述矩形光斑的邊界。
  6. 如請求項5所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，在區域中，處光線經過所述自由曲面之後照射到所述矩形光斑的邊界，而處光線經過所述自由曲面之後照射到矩形光斑的中心。
  7. 如請求項6所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，在區域中，處光線經過所述自由曲面之後照射到矩形光斑的中心，而處光線經過所述自由曲面之後照射到矩形光斑的邊界。
  8. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，在區域内的映射關系為：
    。
  9. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，所述自由曲面的一階偏微分方程組為：
    ；其中，
    ;



    ，且no 及nI 分別為空氣折射率及所述自由曲面透鏡的折射率。
  10. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，所述求解一階拟線性偏微分方程組獲得多個面型數據的方法為：採用龍哥庫塔算法及Lax的差分格式建立算法求解，並通過MATLAB编程從而獲得所述多個面型數據。
  11. 如請求項1所述的LED自由曲面照明系統設計，其中，所述進行曲面擬合的步驟為：採用非均匀有理B樣條進行曲面擬合。
  12. 一種LED自由曲面照明系統設計，包括：
    S10：將LED點光源的出射角度劃分為至少兩個區域，每個區域都可以分別實現在一接收面上形成長和寬分別為2Lx 和2Ly 的矩形光斑；
    S11：分別對所述至少兩個區域在所述接收面上的映射關係進行求解，獲得所述至少兩個區域在接收面上的映射關係；
    S12：對所述LED點光源進行二次配光設計，獲得一關於所述自由曲面的一階偏微分方程組；
    S13：根據所述至少兩個區域在所述接收面上的映射關係及所述一階偏微分方程組，獲得關於所述自由曲面的一階擬線性偏微分方程組，求解所述一階擬線性偏微分方程組獲得複數面型資料；以及
    S14：根據所述複數面型資料，進行曲面擬合，獲得所述自由曲面。
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