ＬＥＤ照明光源的非成像光学定向配光方法技术

一种ＬＥＤ照明光源的非成像光学定向配光方法，其通过定向折射非成像配光透镜对ＬＥＤ光源的能量进行重新分配、整形、改变。实现步骤：ＬＥＤ光源发出的ＬＥＤ光线经配光透镜折射，出射光朝设定的方向折射，形成ＬＥＤ定向光线；ＬＥＤ定向光线叠加，形成ＬＥＤ定向光束；ＬＥＤ定向光束叠加，形成ＬＥＤ定向光源；多方向ＬＥＤ定向光源叠加，形成ＬＥＤ照明光源。本发明专利技术解决了现有技术无法改善ＬＥＤ光源的朗伯特性、不能实现定向配光，而导致配光均匀度差、光效低、照明效果差的技术问题。本发明专利技术可充分利用光能，实现光强分布的定向控制，适用于各类照明用途的灯具，可使照明范围内每一点的照度都完全满足照明规范要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非成像光学配光
，具体涉及一种LED照明光源 的非成像光学定向配光方法。
技术介绍
路灯、隧道灯等功能性照明灯具，要求照明范围内每一点的照度都 必须满足照明规范要求的最低照度指标、最高眩光要求指标、光强均匀 度指标以及光照区域限制要求，对产品的可靠性及节能、环保性能等要 求也很高。为了提高照明效果，保护人眼睛的健康，必须利用灯具进行 光学系统照明配光，即在一个给定的道路位置和给定的路面区域内，由 灯光照射形成一个照度均匀的光场，照射到给定区域之外的光被视为无 效光。传统照明灯具的配光主要是依靠反射杯对光线进行反射分配，将光 线控制在合理的规定区域内，并提高光强的均匀度。这种通过反射进行 光强分配的方法，其主要缺点是光能损失大、耗电量大。常见LED光源的封装如图1所示。其光强分布E与出光角0'的余弦 成正比，LED光源101所发出的光线在被照表面上所形成的照度E随出 射角e'的增大而迅速衰减。LED光源101可看作是一种180度角度出光的 具有朗伯(Lambertian)特性光源，光强分布是中心强、周边减弱，如 图2所示。如果不对LED光源的特性进行二次光学设计，这样的光强分 布很难满足功能照明用途的需求，大量无效光的存在不仅使光能损失大， 也大大地降低了照明效果。以下是现有的LED路灯灯具最大光强处圆锥 面光强分布曲线分析图3为实测的240W对称型无适当配光LED路灯的配光曲线，其显 示有相当一部分光能泄漏到有效区域框102以外。结果表明无效光大大 地降低了照明效果。为实现照明要求，只能将光源出功率提高至240W，造成能源浪费。图4为实测的150W蝶型配光LED路灯的配光曲线。其显示结果表 明照明的均匀度很差，沿照射面有眩光，照射区域内有盲区。 LED光源一般分为单光源和多光源二类。现有多光源LED照明灯具，其配光是通过调整众多光源的安装角度 对光强进行直射分配，形成的照明灯具是模组型的。多光源灯具不仅重 量重，而且产生了多重影，限制了功率扩展和使用范围，尤其对车辆和 行人是严重的安全隐患。现有单光源LED照明灯具，其配光主要是模仿传统灯具，依靠反射 杯对光线进行反射分配。由于朗伯(Lambertian)特性的存在，反光杯可 以反射的光线很少，无法从根本上改善LED光源光强分布中心强、周边 减弱的特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种LED照明光源的非成像光学定向配光方 法，其解决了现有技术无法从根本上改善LED光源的朗伯特性，从而不 能实现定向配光，导致配光均匀度差、光效低、照明效果差的技术问题。本专利技术的技术方案如下本专利技术利用光线从光密物质到光疏物质的折射现象，来克服LED光 源的朗伯特性，即光强分布中心强、周边减弱的特性。本专利技术通过定向 折射非成像配光透镜对LED光源的能量进行重新分配，对LED光源所 发出的光进行整形、改变，以实现光能的充分利用和光强分布的定向控 制，使LED点光源变为透镜表面均匀的面光源。其实现步骤如下-(1) LED光源发出的LED光线经配光透镜折射，出射光朝设定的方向 折射，形成LED定向光线；(2) LED定向光线叠加，形成LED定向光束；(3) LED定向光束叠加，形成LED定向光源；(4) 多方向LED定向光源叠加，形成LED照明光源。 以上所述LED定向光线的形成包括以下实现步骤(1.1) 根据LED照明光源的光斑的设计要求，确定LED光线经配光 透镜后出射光的方向，由此可得LED光线经配光透镜后的出射角e4;(1.2) 选定LED光线入射至配光透镜的入射介质折射率N,、配光透镜 折射率N2以及LED光线经配光透镜后的出射介质折射率N3;使LED光 线入射至配光透镜的入射角e,、经配光透镜后的出射角64以及入射介质折射率N,、配光透镜折射率N2、出射介质折射率N3满足下列函数关系64= sin 、N2si攀sin"(N!sin固2)/N3》，得到LED光线入射至配光透镜的入射角e1;(1.3) 使配光透镜的入射面与出射面的夹角0、 LED光线入射至配光透镜的入射角e,满足下列关系得到配光透镜入射面与出射面的夹角e，由此可确定配光透镜的入射面与出射面；(1.4) 使LED光线以入射角0i入射至配光透镜，经配光透镜折射后， 得到LED定向光线。以上所述LED定向光线叠加可包括对光进行定向增强的光学处理。 以上所述LED定向光束叠加可包括对光进行折射压縮的光学处理。 以上所述的LED定向光源叠加可包括使LED照明光源的光斑分布成矩形、三角形、圆形、半圆形、扇形或抛物线构成的基本几何形状的光学处理，或使LED照明光源的光斑分布成由基本几何形状之二至多种组合形成的复合形状的光学处理。以上所述LED定向光线叠加、LED定向光束叠加以及LED定向光源叠加的光学处理可分别包括均匀散射光学处理。以上所述多方向LED定向光源叠加形成LED照明光源可根据照明区域设计要求的照度指标、眩光指标、光强度指标、光均匀度指标以及照明区域的光斑形状等进行配光。以上所述LED光源的封装方式可采用COB式叠加、集成式叠加或模组式叠加等方式。6本专利技术具有如下优点1. 收集光线角度大，能充分利用LED光源的光能，光效高，光能损失小，实现照明要求所需要的功率小，因此可节能。2. 可对LED光源的光强分布定向控制，将光线控制在规定照明区域 内，并提高光强的均匀度，节能且照明效果佳。3. 从根本上改变了 LED光源的朗伯特性，使LED光源的光强分布随 着出射角度增大的衰减较小，功率扩展便捷，适用于各类功能照明用途 的灯具，产品的可靠性高。4. 使LED点光源变成透镜表面均匀的面光源，配光均匀度高，可实 现精密光分布控制。5. 可以使照明范围内每一点的照度都完全满足照明规范要求，即满 足最低照度指标、最高眩光要求指标、光强均匀度指标以及光照区域限 制要求等。6. 照射区域内无盲区、无眩光，照明的均匀度高，使用环保，利于 人眼睛健康。灯具重量轻，使用无安全隐患。7. 实现方法简单，成本低。 附图说明图1为现有常见LED光源的封装方式。图2为LED光源等效为180°出光角的朗伯光源。图3为实测的现有240W对称型无适当配光LED路灯的配光曲线，其中，(a) 为子午面配光曲线；(b) 为最大光强处圆锥面光强分布曲线。图4为实测的现有150W蝶型配光LED路灯的配光曲线， 其中，(a) 为子午面配光曲线；(b) 为最大光强处圆锥面光强分布曲线。 图5是本专利技术的定向折射平面光学示意图。图6是本专利技术配光透镜定向散光折射示意图。 图7是本专利技术配光透镜定向束光折射示意图。 图8是本专利技术配光透镜定向带状折射示意图。图9是用Pro/Engineer软件设计的本专利技术定向折射配光透镜的结构 示意图。图10是现有的对称型无适当配光的LED路灯的LightToois软件仿 真圆锥面光强图。图11是使用本专利技术定向折射配光透镜的LED路灯的LightToois软 件仿真圆锥面光强图。图12是使用本专利技术定向折射配光透镜的LED路灯的LightToois软 件仿真配光曲线。图13是使用本专利技术定向折射配光透镜模拟仿真LED路灯的工程应 用示意图。图14是实测的使用本专利技术定向折射非成像光学配光透镜的LED路 灯的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＬＥＤ照明光源的非成像光学定向配光方法，其实现步骤包括：　　　　（１）ＬＥＤ光源发出的ＬＥＤ光线经配光透镜折射，出射光朝设定的方向折射，形成ＬＥＤ定向光线；　　　　（２）ＬＥＤ定向光线叠加，形成ＬＥＤ定向光束；　　　　（３）ＬＥＤ定向光束叠加，形成ＬＥＤ定向光源；　　　　（４）多方向ＬＥＤ定向光源叠加，形成ＬＥＤ照明光源。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡家培，胡民海，
申请(专利权)人：西安智海电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]