[发明专利]一种用于LED路灯的阵列式自由曲面透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于LED路灯的阵列式自由曲面透镜的设计方法，本发明采用微分方程设计出单个LED的方形二次配光自由曲面透镜，并按照LED排列方式组成阵列式自由曲面透镜，应用于LED路灯上满足道路照明要求，属于LED照明技术应用领域。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)是一种重要的固态光源，具有低成本、寿命长、色温可选以及环保节能等优点。它可以广泛地应用于照明、显示等领域。近年来，尤其在LED道路照明应用中得到较快的发展。在《城市道路照明设计标准》中要求，路灯的配光为矩形光斑，路灯发出的光都应分布在路面上，路面外的部分接收光几乎为零，以免对远处的车辆或行人产生眩光。在传统的以高压钠灯为光源的道路照明中，利用在抛物面、椭球面等二次圆锥曲面上进行反射加透射结构的光学设计，形成要求的矩形光斑。LED是一种朗伯体光源，辐射角为90°～120°，直接照射在路面上会形成一个面积较大的圆形光斑。为了有效利用光线，并且满足道路照明要求，需要对LED进行二次光学设计，希望由LED发出的光会在路面形成照度均匀的矩形光斑。

近年来，自由曲面由于具有可以自由分配光强和控制光线角度的功能而广泛地应用于照明光学设计，尤其是解决LED照明均匀性问题。对LED进行合理的二次配光设计后，在灯具应用中只需将单个LED单元的光输出进行简单的叠加，满足道路的照明要求。在此基础上，为简化LED二次配光透镜的封装过程，本发明提出了一种阵列式自由曲面透镜，同时，降低由LED组合路灯带来的光色不均匀现象，增强视觉舒适性。

发明内容

基于以上技术背景，本发明以设计一种用于LED路灯的阵列式自由曲面透镜为目的，提出一种用于LED路灯的阵列式自由曲面透镜的设计方法，其具体步骤如下：

(1)进行LED光源建模分析；根据所选用的LED光源，进行光源的配光测量，并根据测量出的配光特征进行LED光源建模。

(2)获得自由曲面面型数据；为实现路面上的矩形配光和光强的均匀分布，利用能量守恒原理，即在单个LED发出的光与道路受光面之间建立一一映射的关系。在这里设计矩形自由曲面，将LED发出的光假想为能量球面，利用网格划分的方法将球面划分为微元，假设每一个微元将与矩形自由曲面上的微元以及受照面上的微元所携带对的能量相同，它们之间将形成投影关系。(如图1所示)利用以上关系建立微分方程，对于给定的LED光源和道路照明需求，即灯杆高度和受照面范围等，可获得自由曲面的面型离散数据。(如图2所示)

(3)获得阵列式自由曲面透镜形式；根据设计的道路照明照度要求，选择LED的个数及排列方式，并利用以上求得的单个LED二次配光的自由曲面面型数据，利用逆向工程获得自由曲面的面型构造及自由曲面透镜的实体形式，(如图3所示)根据LED的个数及排列方式，进行矩形自由曲面透镜实体排列，即设计得到阵列式自由曲面透镜。(如图4所示)

本发明的优点在于：将LED发出的圆形光斑经自由曲面透镜折射后成为矩形光斑，满足道路的照明要求，并在单个LED的自由曲面透镜的基础上进一步组合成为阵列式自由曲面透镜，一方面省略二次配光透镜的封装工艺步骤，另一方面在集成封装中可以降低由LED组合路灯带来的光色不均匀现象，增强视觉舒适性。

附图说明

图1是LED发光面与自由曲面及受照面的能量映射关系图；

图2是得到的自由曲面的面型数据示意图；

图3是利用逆向工程获得自由曲面的面型构造示意图；

图4是阵列式自由曲面透镜实体图；

具体实施方式

本发明是一种用于LED路灯的阵列式自由曲面透镜的设计方法。设计过程的具体实施过程如下：

步骤(1)进行LED光源建模分析；根据所选用的LED光源，利用光学测量仪器进行光源的配光曲线测量，并根据测量出的配光特征进行LED光源建模，将LED光源简化为发光角和能量分布的特征。

步骤(2)建立单个LED的自由曲面透镜微分方程；利用能量守恒原理和网格划分的方法，将LED能量球面的微元与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关系，建立起微分方程。

步骤(3)获得单个LED的自由曲面透镜面型数据；求解以上微分方程，得到自由曲面面型数据离散点。

步骤(4)获得单个LED的自由曲面透镜造型；利用工程制图软件的逆向工程获得自由曲面的面型构造及自由曲面透镜的实体形式。

步骤(5)获得阵列式自由曲面透镜；根据设计的道路照明照度要求，选择LED的个数及排列方式，进行矩形自由曲面透镜实体排列。