專利名稱：一種用于led路燈的陣列式自由曲面透鏡的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種用于LED路燈的陣列式自由曲面透鏡的設計方法，本發明采用微分方程設計出單個LED的方形二次配光自由曲面透鏡，并按照LED排列方式組成陣列式自由曲面透鏡，應用于LED路燈上滿足道路照明要求，屬于LED照明技術應用領域。
背景技術：
發光二極管(Light Emitting Diodes, LED)是一種重要的固態光源，具有低成本、 壽命長、色溫可選以及環保節能等優點。它可以廣泛地應用于照明、顯示等領域。近年來， 尤其在LED道路照明應用中得到較快的發展。在《城市道路照明設計標準》中要求，路燈的配光為矩形光斑，路燈發出的光都應分布在路面上，路面外的部分接收光幾乎為零，以免對遠處的車輛或行人產生眩光。在傳統的以高壓鈉燈為光源的道路照明中，利用在拋物面、橢球面等二次圓錐曲面上進行反射加透射結構的光學設計，形成要求的矩形光斑。LED是一種朗伯體光源，輻射角為90° 120°，直接照射在路面上會形成一個面積較大的圓形光斑。 為了有效利用光線，并且滿足道路照明要求，需要對LED進行二次光學設計，希望由LED發出的光會在路面形成照度均勻的矩形光斑。近年來，自由曲面由于具有可以自由分配光強和控制光線角度的功能而廣泛地應用于照明光學設計，尤其是解決LED照明均勻性問題。對LED進行合理的二次配光設計后， 在燈具應用中只需將單個LED單元的光輸出進行簡單的疊加，滿足道路的照明要求。在此基礎上，為簡化LED 二次配光透鏡的封裝過程，本發明提出了一種陣列式自由曲面透鏡，同時，降低由LED組合路燈帶來的光色不均勻現象，增強視覺舒適性。

發明內容
基于以上技術背景，本發明以設計一種用于LED路燈的陣列式自由曲面透鏡為目的，提出一種用于LED路燈的陣列式自由曲面透鏡的設計方法，其具體步驟如下(1)進行LED光源建模分析；根據所選用的LED光源，進行光源的配光測量，并根據測量出的配光特征進行LED光源建模。(2)獲得自由曲面面型數據；為實現路面上的矩形配光和光強的均勻分布，利用能量守恒原理，即在單個LED發出的光與道路受光面之間建立一一映射的關系。在這里設計矩形自由曲面，將LED發出的光假想為能量球面，利用網格劃分的方法將球面劃分為微元，假設每一個微元將與矩形自由曲面上的微元以及受照面上的微元所攜帶對的能量相同，它們之間將形成投影關系。(如圖1所示)利用以上關系建立微分方程，對于給定的LED 光源和道路照明需求，即燈桿高度和受照面范圍等，可獲得自由曲面的面型離散數據。(如圖2所示)(3)獲得陣列式自由曲面透鏡形式；根據設計的道路照明照度要求，選擇LED的個數及排列方式，并利用以上求得的單個LED 二次配光的自由曲面面型數據，利用逆向工程獲得自由曲面的面型構造及自由曲面透鏡的實體形式，(如圖3所示)根據LED的個數及排列方式，進行矩形自由曲面透鏡實體排列，即設計得到陣列式自由曲面透鏡。(如圖4所示)本發明的優點在于將LED發出的圓形光斑經自由曲面透鏡折射后成為矩形光斑，滿足道路的照明要求，并在單個LED的自由曲面透鏡的基礎上進一步組合成為陣列式自由曲面透鏡，一方面省略二次配光透鏡的封裝工藝步驟，另一方面在集成封裝中可以降低由LED組合路燈帶來的光色不均勻現象，增強視覺舒適性。


圖1是LED發光面與自由曲面及受照面的能量映射關系圖；圖2是得到的自由曲面的面型數據示意圖；圖3是利用逆向工程獲得自由曲面的面型構造示意圖；圖4是陣列式自由曲面透鏡實體具體實施例方式本發明是一種用于LED路燈的陣列式自由曲面透鏡的設計方法。設計過程的具體實施過程如下步驟(1)進行LED光源建模分析；根據所選用的LED光源，利用光學測量儀器進行光源的配光曲線測量，并根據測量出的配光特征進行LED光源建模，將LED光源簡化為發光角和能量分布的特征。步驟( 建立單個LED的自由曲面透鏡微分方程；利用能量守恒原理和網格劃分的方法，將LED能量球面的微元與矩形自由曲面上的微元以及受照面上的微元形成一一映射的關系，建立起微分方程。步驟C3)獲得單個LED的自由曲面透鏡面型數據；求解以上微分方程，得到自由曲面面型數據離散點。步驟(4)獲得單個LED的自由曲面透鏡造型；利用工程制圖軟件的逆向工程獲得自由曲面的面型構造及自由曲面透鏡的實體形式。步驟(5)獲得陣列式自由曲面透鏡；根據設計的道路照明照度要求，選擇LED的個數及排列方式，進行矩形自由曲面透鏡實體排列。
權利要求
1.一種用于LED路燈的陣列式自由曲面透鏡，其特征在于根據道路照明要求，建立單個LED芯片的自由曲面造型，并將自由曲面透鏡按照LED排列方式進行排列形成LED路燈的陣列式自由曲面透鏡。
2.根據權利要求1所述方法，其實現包括以下步驟步驟(1)進行LED光源建模分析；根據所選用的LED光源，利用光學測量儀器進行光源的配光曲線測量，并根據測量出的配光特征進行LED光源建模，將LED光源簡化為發光角和能量分布的特征。步驟( 獲得單個LED的自由曲面透鏡面型數據；利用能量守恒原理和網格劃分的方法，將LED能量球面的微元與矩形自由曲面上的微元以及受照面上的微元形成一一映射的關系，建立起微分方程并求解，得到自由曲面面型數據離散點。步驟C3)獲得單個LED的自由曲面透鏡造型；利用工程制圖軟件的逆向工程獲得自由曲面的面型構造及自由曲面透鏡的實體形式。步驟⑷獲得陣列式自由曲面透鏡；根據設計的道路照明照度要求，選擇LED的個數及排列方式，進行矩形自由曲面透鏡實體排列。
全文摘要
本發明涉及一種用于LED路燈的陣列式自由曲面透鏡的設計方法，該透鏡由自由曲面陣列構成，由LED芯片發光面發出光束，經過一次透鏡后，再經過自由曲面陣列出射到路面上。根據能量守恒列出并求解微分方程，設計出單個LED的方形二次配光自由曲面透鏡，并按照LED排列方式組成陣列式自由曲面透鏡。在使用過程中，將LED按一定個數、一定方式排列，并安裝相應陣列式自由曲面透鏡，在二次配光過程中將光線均勻分配，降低由LED路燈的光色不均勻現象，增強視覺舒適性。
文檔編號F21Y101/02GK102494298SQ20111038674
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者于莉媛, 張建新, 牛萍娟, 邢海英 申請人:天津工業大學