[发明专利]偏光透镜的设计方法、偏光透镜以及LED路灯

说明书

技术领域

本发明涉及照明设备领域，特别是涉及一种偏光透镜的设计方法和使用该设计方法设计的偏光透镜，以及使用该偏光透镜的LED路灯。

背景技术

路灯是城市照明的主要组成部分，传统的路灯主要采用高压钠灯，但因其耗电量大、寿命短、维护成本高、光利用率低、显色指数低等缺点，已经不适合当今社会发展的需要。因此，开发一种新型高效、节能、寿命长、显色指数较高且环保的路灯对城市节能照明具有十分重要的意义。

LED光源因其具有高效节能环保等优点，使用其作为照明关键零器件的LED路灯得以飞速发展。LED光源光线是发散的，呈近朗伯型，为提高其道路照明利用率，需要对LED光源进行二次配光方可运用在实际道路当中。

LED路灯的二次配光已经历了多个发展阶段。首先是LED光源光线不经过任何光学处理，只在LED光源的外侧加个透明灯罩，然后光线直接照射到路面上。这种配光到达路面上会形成一个中间亮边缘暗的圆形光斑，纵向照射范围偏小，横向则超出路面范围造成光浪费。接着，便出现了将LED发光模块拱起或凹进的做法，这种配光形式能将光在道路纵向分布较广，但光利用率偏低，均匀度同样达不到要求。目前，将LED光源安装在花生米透镜上的技术被广泛应用，LED光源光线经过花生米透镜调制形成了特定的光场分布——蝙蝠翼型，实现了光的充分利用，整个光斑呈矩形分布，照度均匀度高。

传统的花生米透镜的入射面通常被设计成规则曲面，如半球面或者椭球面等。光线由LED光源发出，从入射面透射进入透镜内部，在出射面上经过自由曲面的调制，发生折射，形成特定的空间光强分布。这种设计方法虽然简化了设计的难度，然而，LED光源发出的大角度光线在透镜内部容易发生全反射，造成大角度光线的浪费，降低LED光源的利用效率。

发明内容

基于此，有必要提供一种偏光透镜的设计方法和使用该设计方法设计的偏光透镜，以及使用该偏光透镜的LED路灯，使用该偏光透镜的LED路灯能够提高LED光源的利用效率。

一种偏光透镜的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、以LED路灯下的路面为目标面，确定所述LED路灯的配光曲线；

步骤二、建立LED光源的配光曲线和所述LED路灯的配光曲线之间的对应关系；

步骤三、以所述LED光源的中心为原点，建立球坐标系，将所述LED光源的光通量按照立体角分割成连续的小区域；

步骤四、基于所述LED光源发出的光线通过偏光透镜的入射面发生折射直接形成到达所述目标面所需的光强分布的折射光线，运用光通量区域分割及再分配的方法，设定所述入射面的初始点，逐步迭代求解所述入射面的所有离散点的法向量和坐标数据；

步骤五、基于所述偏光透镜的出射面不改变折射光线的传播方向，确定所述出射面的初始点，逐步迭代求解所述出射面的所有离散点的法向量和坐标数据；

步骤六、将所述入射面和所述出射面的所有离散点的坐标数据导入3D结构软件，构建得到偏光透镜的结构模型；

步骤七、将所述偏光透镜的结构模型导入到光学模拟软件中进行仿真，得到所述LED路灯的模拟配光曲线，判断所述LED路灯的模拟配光曲线和步骤一中确定的所述LED路灯的配光曲线是否匹配，若不匹配，则进行反馈优化，并返回步骤四，若匹配，则直接得到所需的偏光透镜的结构模型。

在其中一个实施例中，所述运用光通量区域分割及再分配的方法的操作为：将所述LED路灯的配光曲线分割为连续的小区域，计算出所述LED路灯的配光曲线的每个小区域的光强和所需要的光通量，按照所述LED路灯的配光曲线的每个小区域所需要的光通量，将所述LED光源分割好的等值的区域光通量通过所述偏光透镜折射，投射到与所述LED路灯的配光曲线相应的小区域。

在其中一个实施例中，所述入射面的初始点为所述入射面的边缘的一个点；

所述出射面的初始点为所述出射面的边缘的一个点。

一种使用上述偏光透镜的设计方法设计得到的偏光透镜，所述偏光透镜凹陷形成收容腔，所述偏光透镜具有位于偏光透镜的边缘的安装面、收容腔的内表面形成的入射面，以及收容腔的外表面形成的出射面，所述安装面和所述入射面位于所述偏光透镜的同一侧，所述安装面和所述入射面连接；

所述入射面为自由曲面，所述入射面用于调节光线的出射方向；

所述出射面为自由曲面，所述出射面和所述入射面匹配，所述出射面上任意一点处的法线方向和经过该点处的光线传播方向重合。

在其中一个实施例中，所述入射面面对称，所述入射面在对称面的两侧均匀分布。