[发明专利]一种改善LED路灯照明的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于照明工程应用领域，具体涉及一种改善LED路灯照明的设计方法，主要作用于二次配光透镜。

背景技术

近年来，随着LED芯片、封装和灯具研发及生产技术的不断革新，LED照明已经深入国民生产各个领域，比如路灯、室内灯具、车灯、景观灯等。市场的广阔前景必然带来需求的多样化：在实际应用中，我们需要为LED光源设计特定的透镜来满足照明要求，根据行业标准《城市道路照明设计标准》，编号为CJJ45-2006的要求，路灯照明面应为矩形，照度适当，均匀度高，无眩光，照明区域外应无光污染。

由于LED光源近似余弦朗伯体发光，若直接照在路面上会形成圆形光斑，这样既存在部分光能损失，配光效果也较差。对此，前人采取了相应的改进措施，即把透镜用在非成像光学系统中，设计透镜的方法主要是凭借设计经验，利用光学软件对透镜结构进行调整、微调、优化，虽然有一定改善，但其设计过程耗时费力。

近年来，根据自由曲面所设计的透镜的面型得到业界的青睐，但由于目前LED发光的光强和角度分布与系统的后续器件不匹配使得大量的能量不能被合理利用，效率降低，使LED失去了自身优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善LED路灯照明的设计方法，本方法首先通过对所选LED光源进行分析，根据灯芯厂家提供的光线文件，采用光学软件（Light tools）进行模拟，或者采用光学测量仪器（积分球或LED光强分布测试仪）进行测量，准确分析其光学特性，并且根据设计需求，合理组建光路图结构，结合光学基本原理，根据需求，列相应方程，利用Matlab软件编程求解，得到一组所需透镜面型的离散点，导出Matlab软件，转换成Ibl格式，导入Pro/E三维建模软件，利用逆向工程思想得到所设计透镜的实体面型。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改善LED路灯照明的设计方法，包括以下步骤：

1）确定LED光源；

根据厂家提供的光线文件，采用光学软件Lighttools进行模拟，或者采用光学测量仪器进行测量，准确分析光强随传播方向的分布情况，为光源模型的建立提供依据；

2）建立LED光源与照射面之间的对应关系；

将LED光源建模为半球形状，并利用类似地球的经线和纬线对半球进行网格划分，经线和纬线将半球面划分为若干个光通量相等的微元面；

以上述半球圆心为原点，建立坐标系，令半球中轴线方向为Z轴，令半球底面上相互垂直的两个方向为X,Y轴方向，令光线方向和半球中轴线的夹角为令X轴和光线在半球底面上投影的线段所夹的角为θ，那么芯片发出的光束都可以用来唯一表示，光线经过透镜中一点P发生折射，之后到达照射面一点G(x,y,z)，对于透镜的自由曲面来说，入射光的单位方向向量可表示为I透镜的自由曲面上点P的位置矢量可表示为其中ρ为LED光源沿方向到自由曲面的距离，所有要考虑的光线方向向量轨迹的末端就组成了自由曲面，出射单位向量为O，它可以由G点和P点的位置矢量相减获得，即：

根据所建立的光源与光照面的对应关系，建立起和G(x,y,z)之间的数学关系式：

当0≤θ≤π/4时：

当π/4≤θ≤π/2时：

将公式(3)和公式（4）代入公式（2），可得到光线经过自由曲面之后出射方向矢量O；

3）根据步骤2）中测定的出射方向矢量O，设自由曲面上点P处的法向矢量为T，T等于经过此点的在曲面上的两条曲线切矢的叉乘，取这两个矢量为ρ_θ和ρ_θ矢量方向和XSY平面平行，矢量在XOY平面上的投影过S点，经过计算可以得到：

由于曲面法向矢量T方向和ρ_θ，方向是相垂直的，因此采用矢量叉乘即可获得矢量T，结合公式（5）和公式（2）可得到矢量T；

结合斯涅耳定律：

n_o×O-n_I×I＝[n_o²+n_I²-2×n_o×n_I×(O·I)]^1/2×T      (6)

建立起关于ρ,ρ_θ,的偏微分方程，利用数值方法对方程进行求解，获得自由曲面透镜的坐标数据，最终得到所设计的自由曲面透镜。