[发明专利]基于多次漫反射数学模型的照明光源设计方法

说明书

本发明提供了一种基于漫反射自由曲面的多次漫反射数学模型的LED均匀照明光源的设计方法。漫反射透镜因其特有的光学性能得到了广泛的应用，但漫反射透镜的效率较低，因此，其效率和均匀性还有待提高。基于上述问题，根据LED光源的发光特性，应用双向反射分布函数（BRDF），建立用于漫反射表面的一次漫反射数学模型。同理当LED光线反射至漫反射曲面时，漫反射表面也是一个朗伯体，对其考虑多次漫反射的情况并建立相应的数学模型。通过数值求解非线性代数方程，得到了漫反射表面轮廓。最后，仿真结果表明，当目标面半径和光源与目标照明面距离为1:4时，效果最好，与其它方法相比，均匀性和效率都有明显提高，可以有效地拓宽间接照明在实际应用中的前景。

技术领域

本发明属于光学技术与照明技术领域，具体涉及一种用于重新分配LED光源能量以实现均匀照明及高效率的多次漫反射自由曲面。

背景技术

发光二极管（LED）作为第四代照明光源，具有体积小、响应快、寿命长、无污染等诸多优势，随着LED的光效不断地提升，LED在室内照明和户外照明等各个方面的应用也日益广泛。但是由于LED的空间光强近似朗伯余弦分布，直接用LED进行照明而不进行二次配光，将会在目标面上形成一个中心亮四周逐渐变暗的圆形光斑，均匀性差，而且大的视场角光线很难照射到目标面上，能量利用率低，还容易产生眩光，很难满足实际照明需求。因此在实际LED照明的应用中， 需要对LED进行二次配光设计，使其光能分布能够满足实际的照明需求。近年来，LED照明的研究取得了很大进展，特别是在反射照明和折射照明领域。反射折射重新分布发射光是提高光照性能的有效方法。然而，传统的反射镜或折射镜片对加工精度和材料要求很高。而漫反射镜具有材料方便、均匀性高，加工方便等优点，在日常生活中得到了广泛的应用，但是未经过任何设计的漫反射镜效率明显低于其他设计。因此，提高漫反射自由曲面的效率和均匀性仍然是一项重要的研究。而一些漫反射自由曲面的照明系统要想获得较高均匀性总是以牺牲照明效率为代价的。此外，大量光线如果经过镜面反射或者折射之后，可能也会产生眩光不适的现象，严重的话在一些道路照明还会发生一系列的交通事故。基于上述问题，所以本发明提出的一种多次漫反射自由曲面的设计方法，提高了目标平面特定区域的光照均匀性的同时，也在一定程度上提高了照明效率。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的诸多缺陷与制约，设计一个用于重新分配LED光源能量的多次漫反射自由曲面，实现在特定目标区域内均匀照明的要求。本发明通过如下技术方案实现：

（1）、建立一个基于漫反射间接照明的LED光学系统模型。

（2）、将单颗LED当作点光源并以之为中心原点建立卡迪尔坐标系。

（3）、构建用于二次配光的自由曲面漫反射表面的数学模型。

（4）、利用数值方法求解方程组分别得到发生多次漫反射自由曲面的面型轮廓。

CCD相机，用于彩色视觉系统中图像的拍摄。单颗LED光源，用于发射不同波段的光线。多次漫反射自由曲面，用于漫反射由单颗LED光源发出的光线。目标检测面，用于接收经过自由曲面漫反射之后的光线。

本发明所述的用于重新分配光源能量的多次漫反射自由曲面呈中心轴对称形状，以过该多次漫反射自由曲面旋转中心轴的截面为基准面，建立笛卡尔坐标系：以上述旋转中心轴为Y轴，过坐标系原点且与中心轴垂直的方向为X轴，所述双自由曲面放置在LED光源正上方，需要照亮的目标平面与LED光源发光平面平行，且在Y轴负方向上；

本发明中，由单颗LED光源发出的光线，经过高漫反射率多次漫反射自由曲面漫反射后将等同地分散到各个方向，实现光强的合理控制与分配，在目标检测平面上形成一个均匀的照明区域。该照明系统横截面如图1、2所示。

基于旋转对称原理，本发明通过将所得的多次漫反射自由曲面在XOZ平面上所截得的自由曲面曲线绕LED光源发光面中心法线即旋转中心轴Z轴旋转一周，即可得到所求的高漫反射率的多次漫反射自由曲面的面型轮廓。