WO2010133182A1 - Led光源的非成像光学定向配光方法 - Google Patents

Led光源的非成像光学定向配光方法 Download PDF

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Description

LED光源的非成像光学定向配光方法 技术领域
本发明属于非成像光学配光技术领域， 具体涉及一种 LED光源的非成像光学定 向配光方法。
背景技术
路灯、 隧道灯等功能性照明灯具， 要求照明范围内每一点的照度都必须满足照 明规范要求的最低照度指标、 最高眩光要求指标、 光强均匀度指标以及光照区域限 制要求， 对产品的可靠性及节能、 环保性能等要求也很高。 为了提高照明效果， 保 护人眼睛的健康， 必须利用灯具进行光学系统照明配光， 即在一个给定的道路位置 和给定的路面区域内， 由灯光照射形成一个照度均匀的光场， 照射到给定区域之外 的光被视为无效光。
传统照明灯具的配光主要是依靠反射杯对光线进行反射分配，将光线控制在合 理的规定区域内， 并提高光强的均匀度。 这种通过反射进行光强分配的方法， 其主 要缺点是光能损失大、 耗电量大。
常见 LED光源的封装如图 1所示。 其光强分布 E与出光角 θ ' 的余弦成正比， LED光源 101所发出的光线在被照表面上所形成的照度 Ε随出射角 θ ' 的增大而迅 速衰减。 LED光源 101可看作是一种 180度角度出光的具有朗伯 （Lambertian)特 性光源， 光强分布是中心强、 周边减弱， 如图 2所示。 如果不对 LED光源的特性进 行二次光学设计， 这样的光强分布很难满足功能照明用途的需求， 大量无效光的存 在不仅使光能损失大， 也大大地降低了照明效果。 以下是现有的 LED路灯灯具最大 光强处圆锥面光强分布曲线分析：
图 3为实测的 240W对称型无适当配光 LED路灯的配光曲线， 其显示有相当一 部分光能泄漏到有效区域框 102以外。 结果表明无效光大大地降低了照明效果。 为 实现照明要求， 只能将光源出功率提高至 240W, 造成能源浪费。
图 4为实测的 150W蝶型配光 LED路灯的配光曲线。 其显示结果表明照明的均 匀度很差， 沿照射面有眩光， 照射区域内有盲区。
LED光源一般分为单光源和多光源二类。
现有多光源 LED照明灯具，其配光是通过调整众多光源的安装角度对光强进行 直射分配， 形成的照明灯具是模组型的。 多光源灯具不仅重量重， 而且产生了多重 影， 限制了功率扩展和使用范围， 尤其对车辆和行人是严重的安全隐患。
现有单光源 LED照明灯具， 其配光主要是模仿传统灯具， 依靠反射杯对光线进 行反射分配。 由于朗伯 （Lambertian)特性的存在， 反光杯可以反射的光线很少， 无法从根本上改善 LED光源光强分布中心强、 周边减弱的特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种 LED光源的非成像光学定向配光方法，其解决了现 有技术无法从根本上改善 LED光源的朗伯特性， 从而不能实现定向配光， 导致配光 均匀度差、 光效低的技术问题。
本发明的技术方案如下：
本发明利用光线从光密物质到光疏物质的折射现象，来克服 LED光源的朗伯特 性， 即光强分布中心强、 周边减弱的特性。 本发明通过定向折射非成像配光透镜对 LED光源的能量进行重新分配， 对 LED光源所发出的光进行整形、 改变， 以实现光 能的充分利用和光强分布的定向控制， 使 LED点光源变为透镜表面均匀的面光源。 其实现歩骤如下：
(1)根据光场光斑的设计要求确定 LED光线经配光透镜后出射光的方向， 由此 可得 LED光经配光透镜后的出射角 Θ 4;
(2)选定 LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率 Nl、 配光透镜折射率 N2 以及 LED光线经配光透镜后的出射介质折射率 N3;使 LED光线入射至配光透镜的入 射角 Θ 1、经配光透镜后的出射角 Θ 4以及入射介质折射率 Nl、配光透镜折射率 N2、 出射介质折射率 N3满足下列函数关系：
Θ l=f (Ν1、 Ν2、 Ν3、 Θ 4)，
具体为 9 4=sin-l (N2sin ( Θ - sin-1 (Nlsin θ /Ν2) /Ν3) ) ，
得到 LED光线入射至配光透镜的入射角 6 1；
(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角 θ、 LED光线入射至配光透镜的入射 角 Θ 1满足关系： Θ = Θ 1; 得到配光透镜入射面与出射面的夹角 Θ， 由此可确定 配光透镜的入射面与出射面；
(4)使 LED光线以入射角 Θ 1入射至配光透镜， 经配光透镜折射后， 得到 LED 定向光。 本发明具有如下优点：
1.收集光线角度大， 能充分利用 LED光源的光能， 光效高， 实现照明要求所需 要的功率小， 因此可节能。
2.可对 LED光源的光强分布定向控制，使 LED点光源变成透镜表面均匀的面光 源， 配光均匀度高， 可实现精密光分布控制。
3.改变了 LED光源的朗伯特性，使 LED光源的光强分布随着出射角度增大的衰 减较小， 适用于各类功能性照明灯具， 产品的可靠性高。
4.可以使照明范围内每一点的照度都完全满足照明规范要求， 即满足最低照度 指标、 最高眩光要求指标、 光强均匀度指标以及光照区域限制要求等。
5.照射区域内无盲区、 无眩光， 使用环保， 利于人眼睛健康。
6.实现方法简单， 成本低。
附图说明：
图 1为现有常见 LED光源的封装方式。
图 2为 LED光源等效为 180° 出光角的朗伯光源。
图 3为实测的现有 240W对称型无适当配光 LED路灯的配光曲线。
图 4为实测的现有 150W蝶型配光 LED路灯的配光曲线。
图 5是本发明的定向折射平面光学示意图。
图 6是本发明配光透镜定向散光折射示意图。
图 7是本发明配光透镜定向束光折射示意图。
图 8是本发明配光透镜定向带状折射示意图。
图 9是用 Pro/Engineer软件所设计的本发明定向折射配光透镜的结构示意 图。
图 10是现有的对称型无适当配光的 LED路灯的 LightTools软件仿真圆锥面光 强图。
图 11是使用本发明定向折射配光透镜的 LED路灯的 LightTools软件仿真圆锥 面光强图。
图 12是使用本发明定向折射配光透镜的 LED路灯的 LightTools软件仿真配光 曲线。
图 13是使用本发明定向折射配光透镜模拟仿真 LED路灯的工程应用示意图。 图 14是实测的使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的 LED路灯的光分布 图。
图 15是实测的使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的 LED路灯的配光曲 线。
图 16是同功率、 同光源、 不同透镜条件的 LED路灯的对比图。
图 17是实测 150W使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的 LED路灯的配光 曲线。
具体实施方式
本发明配光透镜的定向折射原理：
(1. 1)斯涅尔定律： 光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。 其中入射 光和折射光位于同一个平面上， 并且与界面法线的夹角满足下列关系：
斯涅尔公式 Nmsin Θ m=Nnsin θ η，
其中， Nm和 Nn分别是两个介质的折射率， Θ m和 θ n分别是入射角和折射角。
(1. 2)配光透镜定向折射原理：
如图 5所示，配光透镜的入射介质折射率 Nl、配光透镜折射率 N2、 LED光线经 配光透镜后的出射介质折射率 N3; LED光线入射至配光透镜的入射角 Θ 1、 射入配 光透镜后的折射角 Θ 2、出射至出射介质的入射角 Θ 3、经配光透镜后的出射角 6 4； 配光透镜的入射面与出射面的夹角 θ。透镜体 203的折射率 N2 = l. 56; 透镜体 203 的入射介质、 出射介质均为空气， 则入射介质折射率 Nl =出射介质折射率 N3 = l。
当 LED光源的光线从空气入射至透镜体 203时， N2>N1; 贝 ij Θ 1〉 Θ 2， 光线发 生偏向法线的折射； 当光线从透镜体 203射入空气中时， N2〉N3， 贝 ij Θ 4〉Θ 3， 光 线发生偏离法线的折射， 其偏离法线， 定向折射的角度为 Θ 4。
··· Θ 1= Θ，
Nlsin Θ l=N2sin θ 2
sin Θ 2=Nlsin θ 1/ N2
Θ 2 = sin— 1 (Nlsin θ 1/ N2) =sin- 1 (Nlsin Θ / N2)
Θ 3= Θ 1— Θ 2= θ— Θ 2= Θ— sin- 1 (Nlsin Θ / N2)
N3sin Θ 4=N2sin Θ 3
sin Θ 4=N2sin Θ 3/ N3 9 4=sin- l (N2sin 9 3/ N3)
即 Θ 4=sin— l (N2sin ( Θ - sin-1 (Nlsin Θ / N2) / N3) )
若 Θ =30。
贝 lj 9 4=sin-l (1. 56sin (30° - sin—1 (sin30。 /1. 56) ) ) = 18°
(1. 3)配光透镜定向散光折射：如图 6所示，可等效为 180° 出光角的朗伯光源 的 LED光线穿过定向散光齿形透镜后， 光线会朝向和齿形垂直且偏离中心的方向折 射， 由此可改变光场分布形状， 使折射方向光强提高， 其他方向光强减弱， 还可进 行均匀散射光学处理。
(1. 4)配光透镜定向束光折射：如图 7所示，可等效为 180° 出光角的朗伯光源 的 LED光线穿过定向束光齿形透镜后，光线朝向和齿形垂直且向着中心的方向折射， 由此而改变光场分布形状， 使折射方向光强提高， 其他方向光强减弱， 还可对照射 至有效照明区域外的光进行折射压缩及光均匀处理。
(1. 5)配光透镜带状定向散光折射：如图 8所示，可等效为 180° 出光角的朗伯 光源的 LED光线穿过齿形定向带状折射透镜后， 光线会朝向和齿形垂直带状方向折 射， 使光场分布成带状形状， 在带状方向光强提高， 其他方向光强减弱， 还可进行 光均匀处理。
本发明具体实现歩骤如下：
(1)根据光场光斑的设计要求确定 LED光线经配光透镜后出射光的方向， 由此 可得 LED光经配光透镜后的出射角 Θ 4。
(2)选定 LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率 Nl、 配光透镜折射率 N2 以及 LED光线经配光透镜后的出射介质折射率 N3;使 LED光线入射至配光透镜的入 射角 Θ 1、经配光透镜后的出射角 Θ 4以及入射介质折射率 N1、配光透镜折射率 N2、 出射介质折射率 N3满足下列函数关系：
Θ l=f (Ν1、 Ν2、 Ν3、 Θ 4)，
具体为 9 4=sin-l (N2sin ( e - sin-1 (Nlsin θ /N2) /N3) ) ,
得到 LED光线入射至配光透镜的入射角 Θ 1。
(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角 θ、 LED光线入射至配光透镜的入射 角 Θ 1满足关系： Θ = Θ 1; 得到配光透镜入射面与出射面的夹角 Θ， 由此可确定 配光透镜的入射面与出射面。 (4)使 LED光线以入射角 Θ 1入射至配光透镜， 经配光透镜折射后， 得到 LED 定向光。
本发明配光透镜可采用玻璃材料、 PC材料或 PMMA材料等。 玻璃材料具有耐高 温、穿透率高等特点。 PC材料即聚碳酸酯材料， PMMA材料即聚甲基丙烯酸甲酯材料， 此两种材料不仅穿透率较高， 容易实现非球面聚光， 减少光斑的黄暈斑现象， 还可 以使产品注塑成型，使生产成本较低。透镜体 203也可以采用透明 PS材料， 即透明 聚苯乙烯材料， 俗称透苯。
使用本发明定向折射非成像光学配光透镜的模拟仿真照明灯具实例： 利用本发明对不同方向的定向折射配光透镜进行组合，对 LED光源的投射光光 强分布进行配光， 可使光强分布满足实际应用要求。
图 9是用 Pro/Engineer软件设计的 LED灯具定向折射配光透镜， 其光强分布 完全满足道路照明光强分布的要求。 根据道路形状对路边、 屋边以外无用部分光强 分布进行折射压缩， 对道路沿伸方向的有用光强分布进行折射增强， 同时进行均匀 散射光学处理。
图 10是现有的对称型无适当配光 LED路灯 LightTools软件仿真圆锥面光强 图， 其形状为对称圆形， 中心地带光强很强； 沿径向远离圆心， 光强以余弦形迅速 衰减。 即大部分光通量照射到中心地带， 周边光强很弱。
图 11是使用本发明定向折射配光透镜的 LED路灯 LightTools软件仿真圆锥面 光强图， 其形状近似为长方形， 长方形区域内光强均匀， 远离长方形中心向周边的 光强分布线性均匀。
图 12是使用本发明定向折射配光透镜 LED路灯 LightTools软件仿真配光曲 线。
在实线所示的长边 C0面， 其光强 40%时的出光角为：
00^ (225+22. 5) - (135-22. 5) = 135° ；
在虚线所示的短边 C90面， 其光强 40%时的出光角为：
C90=225-135=90° 。
图 13是使用本发明定向折射配光透镜模拟仿真 LED路灯的工程应用：
40%光强 C0方向 (矩形长边)长度：
L=2HX tan (C0/2) =2HX tan (135。 /2) =4. 42H; 40%光强 C90方向 (矩形短边)长度：
W=2HX tan(C90/2) =2HXtan(90。 /2) =2H。
即： 当满足定向折射配光透镜 LED路灯 LightTools软件仿真配光曲线时， 路 灯投射到路面的光强分布为近似矩形， 矩形的长 CO与宽 C90之比为： 2.41。
由图 14所示的光强分布图以及图 15所示的配光曲线可见：实测结果与模拟仿 真数据基本一致。其 CO面 40%光强光束角为 133° ，其 C90面 40%光强光束角为 90° ， 实现了对路灯光强分布的精密控制。
当路灯杆高度为 10m时， 40%光强路面分布矩形长边 L (C0)及短边 (C90) W 为：
L=2HXtan(C0/2)=2HXtan(133° /2)=46(m)
W=2HXtan(C90/2) =2HXtan(90。 /2) =20 (m)
实例效果结论：
如图 16所示，通过定向折射非成像配光透镜对光的能量进行重新分配，对 LED 光源所发出的光进行整形和改变， 从而实现了光源能量的利用和光强分布的定向控 制。 定向折射非成像光学配光透镜， 把 LED光源的光线定向成折射到了透镜表面， 使 LED点光源改变成为透镜表面均匀的面光源，提高了光强分布均匀度；改变了 LED 光源的朗伯特性， 使 LED路灯光强的分布随着出射角度增大的衰减较小； 其结构简 单、 收集光线角度大、 光能量利用率高。
分析图 17所示的实测 150W定向折射非成像光学配光透镜 LED路灯配光曲线， 结果是： 照明均匀度好， 沿路面没有眩光， 照明效率高， 实现照明要求所需要的功 率小。

Claims

权利要求书
1.一种 LED光源的非成像光学定向配光方法， 其包括以下实现歩骤：
(1)根据光场光斑的设计要求确定 LED光线经配光透镜后出射光的方向， 由此 可得 LED光经配光透镜后的出射角 Θ 4;
(2)选定 LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率 Nl、 配光透镜折射率 N2 以及 LED光线经配光透镜后的出射介质折射率 N3;使 LED光线入射至配光透镜的入 射角 Θ 1、经配光透镜后的出射角 Θ 4以及入射介质折射率 N1、配光透镜折射率 N2、 出射介质折射率 N3满足下列函数关系：
Θ l=f (Ν1、 Ν2、 Ν3、 Θ 4)，
得到 LED光线入射至配光透镜的入射角 Θ 1；
(3)使配光透镜的入射面与出射面的夹角 θ、 LED光线入射至配光透镜的入射 角 Θ 1满足下列关系：
Θ = Θ 1，
得到配光透镜入射面与出射面的夹角 Θ，由此可确定配光透镜的入射面与出射 面；
(4)使 LED光线以入射角 Θ 1入射至配光透镜， 经配光透镜折射后， 得到 LED 定向光。
2.根据权利要求 1所述的 LED光源的非成像光学定向配光方法， 其特征在于： 所述的 LED光线入射至配光透镜的入射角 Θ 1、 经配光透镜后的出射角 Θ 4以及入 射介质折射率 Nl、 配光透镜折射率 N2、 出射介质折射率 N3满足下列函数关系： 9 4=sin— l (N2sin ( Θ - sin— 1 (Nlsin θ /N2) /N3) )。
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