[发明专利]采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于非成像光学及照明技术领域，具体涉及一种采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统及其设计方法。

背景技术

由点光源(如LED)通过透镜及反射器使之形成特定的符合照明需要的光斑，这是照明界的经典问题。而近几十年非成像光学的逐渐发展则开始能解决这一问题。H.Ries等科学家研究了Tailoring(裁剪法)，国内研究者也有相关专利及论文阐述了如何设计自由曲面透镜，然而对于如何有效地对LED全方位角度进行配光设计，则没有相关的研究及报道。而单单采用透镜或反射器无法对LED的光能量进行最优化的配光，从而导致效率低下。以下以道路照明、隧道照明举例说明这一问题。

在道路照明、隧道照明等大功率LED灯具应用中，由于灯具需要防尘、防水等功能，因此，常采用“整体式”灯具的方式，即全部LED器件放置在一个密封的空间中。具体做法是：LED焊接在铝基板上，铝基板通过导热胶粘贴在带有散热鳍片的铝制灯壳上，LED的前端有配光透镜或反射镜。在透镜的前边有防水透明外罩。这样做法有如下缺点：

1.所有LED放置在铝制灯壳与透明防水外罩形成的密封腔内，密封性靠防水胶实现，这样，任何一个LED失效后，维修将及其困难，特别是现场无法维修。

2.用于配光的透镜或反射镜本身至少10％以上的光学损耗，防水透明外罩也有10％以上的光学损耗。因此，灯具的光学效率只能低于80％。

3.采用内表面为自由曲面、外表面是平面进行配光，可以形成外表面为统一平面的配光透镜阵列，该透镜阵列可以实现配光的同时实现模组的防水防尘功能。但该方法只能对LED发出的与其光轴成一定角度(常为60度)以内的光线调整方向，对大于该角度的光线无法进行调整方向。因此，不能获得高的光学效率。

因此，本发明正是针对如何对全立体角进行配光给出了一个具体的解决方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对点光源(如LED)全立体角的光能量进行合理配光的设计方法，主要采用透镜及反射器相结合的设计方法。采用此方法的原因在于单单采用透镜或反射器有其局限性，主要在于当目标光斑对应光源的立体角过大或过小时，由折射定律及能量对应关系得到的自由曲面的数据点会出现较严重的离散，导致透镜或反射器尺寸过大，在一定情况下，甚至无法得到希望的透镜及反射器。例如一个透镜采用内表面为自由曲面、外表面是平面进行配光，可以形成外表面为统一平面的配光透镜，但该方法只能对LED发出的与其光轴成一定角度以内的光线调整方向，对大于该角度的光线无法进行调整方向。因此，不能获得高的光学效率。本发明采用透镜与反射器结合的方法，可实现各种配光要求且高效率。本发明的主旨思想是将光源发出的光分块设计，从而使配光效率最优化。本发明给出的方法可以应用于多种具体产品如LED矿灯、LED隧道灯、LED路灯、LED汽车灯、LED机场等灯、LED医用手术灯、LED牙科灯等等各种LED产品。

根据本发明的一个方面，提供有一种采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法，将LED发出的光线分为两个部分，区分根据是按光线与LED光轴的夹角φ来划分；在0°≤φ＜φ₀时，光线经过自由曲面透镜折射后出射；在φ₀≤φ≤90°时，光线经过反射器反射后出射，也可以经过反射器反射再经过一般透镜或者自由曲面透镜出射。

进一步，该采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法中的φ₀取50°～70°。

进一步，该采用自由曲面透镜及反射器的LED配光系统设计方法的具体步骤如下：

(1)对φ1，即0°≤φ＜φ₀部分的光线的配光设计为经透镜折射出射，首先设定LED在这个角度范围的空间能量分布与经过透镜折射后的出射光能量分布的对应关系，根据设定的对应关系建立能量方程；

(2)然后对φ2，即φ₀≤φ≤90°部分的光线进行配光设计，采用反射器进行配光，首先设定光源在这个角度范围的空间能量分布与经过反射器反射后的出射光能量分布的对应关系，根据设定的对应关系建立能量方程，具体对应关系有两种形式：以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式与以赤道某一点为中心按其经线与纬线的自然划分进行的网格对应关系，具体方程如下：

对于以两极为中心在不同的经度向低纬度逐渐展开的辐射对应形式，表达式如下：