[发明专利]一种适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法有效

专利信息
申请号: 202011436151.3 申请日: 2020-12-10
公开(公告)号: CN112664847B 公开(公告)日: 2023-05-02
发明(设计)人: 张云翠;潘妲;张鑫鹏;谢蓄芬;陈宇昂;樊敏菊;严舒涵 申请(专利权)人: 大连工业大学
主分类号: F21K9/68 分类号: F21K9/68;F21K9/69;F21V5/04;F21V7/06;F21V19/00;F21V17/10;F21V7/28;F21V13/04;G02B27/00;F21W131/103;F21Y115/10
代理公司: 大连格智知识产权代理有限公司 21238 代理人: 刘琦
地址: 116034 辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 一种 适用于 路面 照明 led 光学系统 设计 方法
【权利要求书】:

1.一种适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法,其特征在于,适用于坡路面照明的LED光学系统,包括中心倾斜透镜(4)、矩形抛物面反射器(5),以及LED光源(6);其中:

矩形抛物面反射器(5)为上部开口且内表面(3)均为抛物面的中空方体结构,外轮廓为方体结构的所述中心倾斜透镜(4)可拆卸的覆盖安装在所述矩形抛物面反射器(5)的上部开口处;

所述LED光源(6)位于所述矩形抛物面反射器(5)的内底面上,与所述中心倾斜透镜(4)及所述矩形抛物面反射器(5)配合成像于坡路面;

所述适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法,包括如下步骤:

步骤1,所述中心倾斜透镜(4)的设计;采用适用于坡路面的同步多曲面设计方法进行优化设计;

步骤1.1,确定所述中心倾斜透镜(4)的实体;

步骤1.11,定义LED光源(6)上任意一条出射光线为E1E2和其对应的坡路受光面受光线为R1R2,中轴oo'与E1E2垂直平分,且E1点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R2处,E2点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R1处;

步骤1.12,选择所述E1点发出的一条光线r1在所述中轴oo'上发生折射的点P0作为所述中心倾斜透镜(4)的上表面(2)上第一点链的起始点;

步骤1.13,所述光线r1在所述P0点的折射光线上任意选择一点P1作为所述中心倾斜透镜(4)的下表面(1)上第二点链的起始点;

步骤1.14,假设所述光线r1在所述P1点处折射并射向所述端点R2,确定出所述光线r1在所述P1点处的法向量n1的方向;

步骤1.15,根据所述光线r1的传播路径计算公式(15)得到由所述E1点到所述端点R2之间的光程Γ1

Γ1=[E1,P0]+n1[P0,P1]+[P1,R2](15)

步骤1.16,E2发出的一条光线r2过点P1折射后的光线P1R1的方向已经确定,根据折射定律的矢量形式:

其中:n为中心倾斜透镜的折射率,为光线入射点的法向量;

再根据公式:

xi+1=yi+1tan(Ai+1)                  (18)

其中:Pi的点坐标为(xi,yi),Pi+1的点坐标为(xi+1,yi+1),k为Pi的切线的斜率;Ai+1为点Pi+1的倾斜角度;

联立公式(17)、(18)得到相邻采样点之间的迭代关系,即可确定所述中心倾斜透镜(4)上表面(2)的下一点P2以及该点处的法向n2;由公式(19)光线r2的传播路径可以求得由E2到R1之间的光程Γ2

Γ2=[E2,P2]+n2[P2,P1]+[P1,R1]                 (19)

步骤1.17,根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同原理,交替应用步骤1.16分别确定出所述中心倾斜透镜(4)的第一点链的点、所述中心倾斜透镜(4)的第二点链的点,直到所述第一点链和所述第二点链相交;

步骤1.18,步骤1.11中所述中轴oo'下部的透镜仍通过步骤1.11~步骤1.17确定;以所述中心倾斜透镜(4)上表面(2)、下表面(1)的两个交点连线为直径做矩形的对角线,运用构建网格的形式,得到所述中心倾斜透镜(4)的实体;

步骤1.2,计算所述中心倾斜透镜(4)焦距;

基于倾斜透镜的成像原理,根据步骤1.1所述中心倾斜透镜(4)和目标坡路面的物距和像距确定所述中心倾斜透镜(4)的焦距;

步骤2,所述矩形抛物面反射器(5)的设计;

步骤2.1,构建所述矩形抛物面反射器(5)模型;

步骤2.11,以所述矩形抛物面反射器(5)的任意两个相对内表面设计为例,假设抛物线A为其第一内表面的轮廓线,抛物线B为第二内表面的轮廓线;

抛物线A绕其焦点F1沿逆时针方向旋转了θmax得到其中第一内表面;同理抛物线B绕其焦点F2沿顺时针方向也旋转了θmax得到第二内表面;其中,θmax为最大出射角;

从而使得抛物线A的焦点F1落在抛物线B的下端点,抛物线B的焦点F2落在抛物线A的下端点;

在x轴方向和y轴方向上的焦距分别表示为:

f2x=ax(1+=sinθxmax)              (20)

fy=a2y(1+sinθymax)                    (21)

其中:ax为焦平面在x轴方向的半宽;

ay为在y轴方向的半宽;

fx、fy分别为x,y轴方向上的焦距;

θxmax、θymax分别为x,y轴方向上的最大出射角;

步骤2.12,抛物段F1C和抛物段F2D分别沿垂直于xoy平面的方向平移,形成两个关于y轴对称的抛物面;将抛物段F1C和F2D绕y轴逆时针旋转90°,同理沿x轴平移,形成两个关于x轴对称的抛物面,两组抛物面组合在一起就得到了三维的矩形抛物面反射器;

其中,轴a'和轴a分别是步骤2.11中所述抛物线A旋转前后的对称轴,轴b'和轴b分别是步骤2.11中所述抛物线B旋转前后的对称轴,抛物段F2C和抛物段F1D分别平行轴a和b;

步骤2.2,所述矩形抛物面反射器(5)口径的确定;

经过步骤2.11中所述抛物段F1C和所述抛物段F2D分别沿垂直于xoy平面的方向平移之后,CD为矩形抛物面所述矩形抛物面反射器(5)的光线出射口的直径,F1F2是所述矩形抛物面反射器(5)焦平面的宽度;

根据光的可逆性,将所述LED光源(6)置于所述矩形抛物面反射器(5)的焦平面上,把出射光线与y轴的夹角θi定义为出射角,当θi<θmax时,光线经过反射器反射从出光口射出;

出射口半宽r表示为:

其中:r为出射口半宽;

l为所述矩形抛物面反射器(5)在y轴方向上的长度;

a为入射口半宽;

f2为所述矩形抛物面反射器的焦距;

由式(22)可知,入射口半宽r是随着所述矩形抛物面反射器(5)在y轴方向上的长度l增大而增大的;

步骤2.3,确定所述矩形抛物面反射器(5)的高度;

所述矩形抛物面反射器(5)的最大高度应保证所述LED光源(6)照射到所述矩形抛物面反射器(5)反射面上的光线大于α角,α表示坐标轴由xoy变为x'oy'的旋转角度;

步骤2.4,沿所述中心倾斜透镜(4)的倾斜方向对所述矩形抛物面反射器(5)的出射口进行切割,得到非轴对称的矩形抛物面反射器。

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