一種功率型LED集成模組的配光方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種功率型LED集成模組的配光方法，采用區(qū)域分割的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面均勻照明的目的，將投射到路面的照明區(qū)域拉長，出射光線投射到兩個(gè)區(qū)域的能量為非對稱分布，即光線投射到人行道區(qū)域較弱，光線投射到機(jī)動車道區(qū)域較強(qiáng)；包括S1、將光源的出射光線按照角度劃分成一定數(shù)量的分割區(qū)域，將目標(biāo)面對應(yīng)分成若干的區(qū)域；S2、構(gòu)建相鄰角度范圍內(nèi)的投射光通量與目標(biāo)照明區(qū)域接收光線的關(guān)系；S3、依據(jù)對應(yīng)關(guān)系以及LED光源的投射角度，計(jì)算配光曲線在各個(gè)角度的相對分布，最后依據(jù)配光曲線斜率構(gòu)造集成模組透鏡曲面，求解出透鏡模組光學(xué)曲面的空間坐標(biāo)位置。本發(fā)明專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LED集成模組的二次配光的均勻性，從而使得照明區(qū)域照度和亮度分布均勻。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及LED照明領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種功率型LED集成模組的配光方法。
技術(shù)介紹
功率型LED照明系統(tǒng)產(chǎn)品是一種基于半導(dǎo)體發(fā)光原理的新型固態(tài)冷光源。從目前的發(fā)展趨勢來看，功率型高亮度白光發(fā)光二極管(LED)將成為無汞、節(jié)能的綠色光源。相比于其它光源，半導(dǎo)體照明具有節(jié)能、高效、長壽命、無汞環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以節(jié)省大量的能源消耗，減少溫室氣體的排放，降低環(huán)境污染。可以預(yù)期，半導(dǎo)體照明材料和器件將憑借其高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長、易維護(hù)等獨(dú)特優(yōu)勢，必將成為新一代綠色照明光源，是未來在能源和環(huán)保領(lǐng)域真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)、產(chǎn)品和工業(yè)體系。隨著功率型LED性能得到持續(xù)提高，全球LED路燈市場呈現(xiàn)逐年增長趨勢。一般來說LED路燈由多顆LED光源組成,同時(shí)LED光源又具有很強(qiáng)的定向性,但其投射距離有限，使得照度均勻性有限。一些廠家生產(chǎn)的燈具用特殊的光學(xué)透鏡進(jìn)行二次配光,雖然大大提高了照度均勻性,但也存在一些缺陷,如光束全部投射到了車行道而沒有考慮燈后面的人行道,從而造成燈后的區(qū)域基本無照度,燈具的環(huán)境比值很差。有些廠家生產(chǎn)的LED路燈產(chǎn)品只是將LED安裝于傳統(tǒng)燈具的反射器上,希望借助于反射器將LED光源發(fā)出的光發(fā)射到路面上,但實(shí)際應(yīng)用效果不好,照度均勻性很差，這類燈具產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上未充分考慮LED的光學(xué)特性,只是想通過對傳統(tǒng)路燈燈具的利用以減少研發(fā)經(jīng)費(fèi)，這類產(chǎn)品通常不具有好的照度均勻性。因此，在功率LED集成模組配光應(yīng)用上需要采取更好的方式來改變二次光學(xué)設(shè)計(jì)，研究如何使光線到達(dá)路面分布，符合道路照明照度、均勻度要求，是一個(gè)研究熱點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種功率型LED集成模組的配光方法。以解決現(xiàn)有LED光源配光不均勻的問題，從而實(shí)現(xiàn)照明目標(biāo)區(qū)域的照度、亮度均勻性的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種功率型LED集成模組的配光方法，所述配光方法中采用的LED集成模組包括連體透鏡座、透鏡體、以及與所述透鏡體對應(yīng)的LED光源；所述透鏡體為非對稱曲率結(jié)構(gòu)；所述配光方法采用區(qū)域分割的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面均勻照明的目的，可將投射到路面的照明區(qū)域拉長，出射光線投射到兩個(gè)區(qū)域的能量為非對稱分布，即光線投射到人行道區(qū)域較弱，光線投射到機(jī)動車道區(qū)域較強(qiáng)；其具體步驟如下：S1、將光源的出射光線按照角度劃分成一定數(shù)量的分割區(qū)域，將目標(biāo)面對應(yīng)分成若干的區(qū)域；S2、構(gòu)建相鄰角度范圍內(nèi)的投射光通量與目標(biāo)照明區(qū)域接收光線的關(guān)系；S3、依據(jù)步驟S2中所對應(yīng)關(guān)系以及LED光源的投射角度，計(jì)算配光曲線在各個(gè)角度的相對分布，最后依據(jù)配光曲線斜率構(gòu)造集成模組透鏡曲面，并求解出透鏡模組光學(xué)曲面的空間坐標(biāo)位置。所述步驟S1中為了達(dá)到目標(biāo)路面均勻照明的要求，將路面區(qū)域所形成的矩形區(qū)域劃分為面積相等n份，且這n個(gè)區(qū)域無交集，由目標(biāo)照明區(qū)域的長度和寬度求出長寬比和總面積，進(jìn)而可計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的面積，再將每個(gè)子區(qū)域分成m份面積相同的區(qū)域。所述步驟S1中具體實(shí)現(xiàn)方法如下：首先依據(jù)LED光源特性和配光要求劃分網(wǎng)格，將LED的出射光和目標(biāo)照明區(qū)域都劃分為N個(gè)區(qū)域，r是目標(biāo)照明區(qū)域半徑，φ是光線與系統(tǒng)中心軸的夾角，H是目標(biāo)照明區(qū)域與光源的距離高度，依據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒，在不考慮材料吸收光能的情況下，光源光通量Φ2與出射光線的所有光通量Φ1也相等；發(fā)散角為φi的光線對應(yīng)目標(biāo)照明區(qū)域上照明半徑ri的區(qū)域，φmax是光源經(jīng)光學(xué)元件配光后的目標(biāo)最大發(fā)散角，目標(biāo)照明區(qū)域最大照明半徑R，其中N的大小決定結(jié)果的精確程度；光線的光源出射角φi與其經(jīng)配光后光線覆蓋的目標(biāo)照明區(qū)域半徑ri的關(guān)系；ri(φ)＝[R/sinφmax]sinφi(1)為了達(dá)到目標(biāo)照明區(qū)域照度及亮度分布的要求，將路面區(qū)域所形成的矩形區(qū)域劃分為面積相等n份，且這n個(gè)區(qū)域無交集；將每個(gè)子區(qū)域分成m份面積相同的區(qū)域，幾何關(guān)系為：而任一小區(qū)域?yàn)樘菪危笊蟼?cè)的小區(qū)域面積為Sleft＝0.5[Δxi(n)+Δxi(n-1)]·[y(n)-y(n-1)]，假設(shè)任意的i，Δxi(n)相等，Δxi(n-1)也相等，右下側(cè)面積為Srigh＝0.5[Δyi(n)+Δyi(n-1)]·[x(n)-x(n-1)]，對于任意的i，Δyi(n)相等，Δyi(n-1)也相等，由于Sleft＝Sright，因此Δy＝αΔx。所述步驟S2中具體實(shí)現(xiàn)方法如下：光線經(jīng)過透鏡模組的光學(xué)曲面折射之后，對系統(tǒng)的光通量分布重新分配，考慮到LED光線空間分布的特點(diǎn)，采用球坐標(biāo)系描述三維分布，假設(shè)透鏡模組光學(xué)曲面上某一點(diǎn)的入射光線矢量為出射光線矢量為透鏡材料的折射率為n，基于透鏡模組的出光路徑，假設(shè)目標(biāo)照明區(qū)域的網(wǎng)格與光線對應(yīng)點(diǎn)的方向矢量為,則LED光源出射光線、透鏡模組光學(xué)曲面的出射光線、目標(biāo)照明區(qū)域上接受光線之間的關(guān)系式為其中入射光與幾何中心垂軸的夾角φ，光線經(jīng)過光學(xué)曲面上的點(diǎn)P(x,y)時(shí)發(fā)生折射，并沿著與垂軸夾角δ方向出射，分布至目標(biāo)面上S(r,h)點(diǎn)處，P點(diǎn)的法向矢量與垂軸夾角η。LED出射光經(jīng)過光學(xué)曲面后均勻發(fā)散至目標(biāo)照明半徑為R的區(qū)域上，目標(biāo)照明面距離光源H；其中φ與r的幾何關(guān)系為：r(φ)＝[H·Tan(δmax)/sinφmax]·sinφ(3)其中δmax與φmax分別為系統(tǒng)最大發(fā)散角和光源出射光與垂軸的最大夾角，δi角度變量的表達(dá)式為其中依據(jù)光線空間折射關(guān)系，該點(diǎn)x,y,z軸的法向矢量的表達(dá)式為，即則光線投射三維方向的法向量(Nx,Ny,Nz)、入射光線、出射光線之間的內(nèi)在聯(lián)系關(guān)系如下：所述步驟S3在上述權(quán)4的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用下述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)：同時(shí)該點(diǎn)x,y,z軸的空間位置矢量為[x(i,j),y(i,j),z(i,j)]，其中i和j分別為兩個(gè)不同軸方向。經(jīng)過該點(diǎn)的切平面可以表示為：Nx(i,j)(x-x(i,j))+Ny(i,j)(y-y(i,j))+Nz(i,j)(z-z(i,j))＝0(6)式中Nx(i,j)，Ny(i,j)和Nz(i,j)分別為該點(diǎn)法向矢量沿x,y,z軸方向的分量。而(x,y,z)則表示該切平面內(nèi)的任意一點(diǎn)。將入射光線以球坐標(biāo)系下表示：其中為光線與z軸的夾角，θ為光線在xoy面的投影與x軸的夾角。聯(lián)立(6)和(7)可得基于以上表達(dá)式，以目標(biāo)照明區(qū)域的照度、亮度為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法強(qiáng)大的計(jì)算迭代能力，可自動求解出透鏡模組光學(xué)曲面的空間位置坐標(biāo)。所述透鏡本體基面上設(shè)有卡槽。所述透鏡為PMMA透鏡、PC透鏡或玻璃透鏡。所述透鏡體在透鏡座上的排列結(jié)構(gòu)為矩陣式排列、叉排式排列或多邊混合排列。本專利技術(shù)采用以上技術(shù)方案，采用區(qū)域分割的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面均勻照明的目標(biāo)，可將投射到路面的照明區(qū)域拉長，出射光線投射到兩個(gè)區(qū)域的能量為非對稱分布，即光線投射到人行道區(qū)域較弱，光線投射到機(jī)動車道區(qū)域較強(qiáng)。其具體步驟如下：將光源的出射光線按照角度劃分成一定數(shù)量的分割區(qū)域，將目標(biāo)面對應(yīng)分成若干的區(qū)域，這些目標(biāo)區(qū)域的面積大小、比例取決于所分割區(qū)域投射光通量的比例。經(jīng)過上述分割之后，就可以構(gòu)建相鄰角度范圍內(nèi)的投射光通量與目標(biāo)區(qū)域之間的聯(lián)系方程。依據(jù)所對應(yīng)關(guān)系以及LED光源的投射角度，計(jì)算配光曲線在各個(gè)角度的相對分布，最后依據(jù)配光曲線斜率構(gòu)造集成模組透鏡曲面。采用本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案后光線投射到人本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種功率型LED集成模組的配光方法，其特征在于：所述配光方法中采用的LED集成模組包括連體透鏡座、透鏡體、以及與所述透鏡體對應(yīng)的LED光源；所述透鏡體為非對稱曲率結(jié)構(gòu)；所述配光方法采用區(qū)域分割的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面均勻照明的目的，可將投射到路面的照明區(qū)域拉長，出射光線投射到兩個(gè)區(qū)域的能量為非對稱分布，即光線投射到人行道區(qū)域較弱，光線投射到機(jī)動車道區(qū)域較強(qiáng)；其具體步驟如下：S1、將光源的出射光線按照角度劃分成一定數(shù)量的分割區(qū)域，將目標(biāo)面對應(yīng)分成若干的區(qū)域；S2、構(gòu)建相鄰角度范圍內(nèi)的投射光通量與目標(biāo)照明區(qū)域接收光線的關(guān)系；S3、依據(jù)步驟S2中所對應(yīng)關(guān)系以及LED光源的投射角度，計(jì)算配光曲線在各個(gè)角度的相對分布，最后依據(jù)配光曲線斜率構(gòu)造集成模組透鏡曲面，并求解出透鏡模組光學(xué)曲面的空間坐標(biāo)位置。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種功率型LED集成模組的配光方法，其特征在于：所述配光方法中采用的LED集成模組包括連體透鏡座、透鏡體、以及與所述透鏡體對應(yīng)的LED光源；所述透鏡體為非對稱曲率結(jié)構(gòu)；所述配光方法采用區(qū)域分割的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面均勻照明的目的，可將投射到路面的照明區(qū)域拉長，出射光線投射到兩個(gè)區(qū)域的能量為非對稱分布，即光線投射到人行道區(qū)域較弱，光線投射到機(jī)動車道區(qū)域較強(qiáng)；其具體步驟如下：S1、將光源的出射光線按照角度劃分成一定數(shù)量的分割區(qū)域，將目標(biāo)面對應(yīng)分成若干的區(qū)域；S2、構(gòu)建相鄰角度范圍內(nèi)的投射光通量與目標(biāo)照明區(qū)域接收光線的關(guān)系；S3、依據(jù)步驟S2中所對應(yīng)關(guān)系以及LED光源的投射角度，計(jì)算配光曲線在各個(gè)角度的相對分布，最后依據(jù)配光曲線斜率構(gòu)造集成模組透鏡曲面，并求解出透鏡模組光學(xué)曲面的空間坐標(biāo)位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率型LED集成模組的配光方法，其特征在于：所述步驟S1中為了達(dá)到目標(biāo)路面均勻照明的要求，將路面區(qū)域所形成的矩形區(qū)域劃分為面積相等n份，且這n個(gè)區(qū)域無交集，由目標(biāo)照明區(qū)域的長度和寬度求出長寬比和總面積，進(jìn)而可計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的面積，再將每個(gè)子區(qū)域分成m份面積相同的區(qū)域。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率型LED集成模組的配光方法，其特征在于：所述步驟S1中具體實(shí)現(xiàn)方法如下：首先依據(jù)LED光源特性和配光要求劃分網(wǎng)格，將LED的出射光和目標(biāo)照明區(qū)域都劃分為N個(gè)區(qū)域，r是目標(biāo)照明區(qū)域半徑，φ是光線與系統(tǒng)中心軸的夾角，H是目標(biāo)照明區(qū)域與光源的距離高度，依據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒，在不考慮材料吸收光能的情況下，光源光通量Φ2與出射光線的所有光通量Φ1也相等；發(fā)散角為φi的光線對應(yīng)目標(biāo)照明區(qū)域上照明半徑ri的區(qū)域，φmax是光源經(jīng)光學(xué)元件配光后的目標(biāo)最大發(fā)散角，目標(biāo)照明區(qū)域最大照明半徑R，其中N的大小決定結(jié)果的精確程度；光線的光源出射角φi與其經(jīng)配光后光線覆蓋的目標(biāo)照明區(qū)域半徑ri的關(guān)系；ri(φ)＝[R/sinφmax]sinφi(1)為了達(dá)到目標(biāo)照明區(qū)域照度及亮度分布的要求，將路面區(qū)域所形成的矩形區(qū)域劃分為面積相等n份，且這n個(gè)區(qū)域無交集；將每個(gè)子區(qū)域分成m份面積相同的區(qū)域，幾何關(guān)系為：而任一小區(qū)域?yàn)樘菪危笊蟼?cè)的小區(qū)域面積為Sleft＝0.5[Δxi(n)+Δxi(n-1)]·[y(n)-y(n-1)]，假設(shè)任意的i，Δxi(n)相等，Δxi(n-1)也相等，右下側(cè)面積為Srigh＝0.5[Δyi(n)+Δyi(n-1)]·[x(n)-x(n-1)]，對于任意的i，Δyi(n)相等，Δyi(n-1)也相等，由于Sleft＝Sright，因此Δy＝αΔx。4.根據(jù)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳煥庭，何仲全，莊勇杰，楊偉藝，羅毅，
申請(專利權(quán))人：富順光電科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：福建;35