CN103343941B - 一种等亮度照明led路灯透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等亮度照明LED路灯透镜及其设计方法，包括外曲面（1）、底面（2）以及设置底面上的LED灯腔（3）；外曲面（1）由沿中轴左右对称的不规则曲面构成；LED灯腔（3）是一个内凹的半球面，该半球面的半径由所选用LED灯珠的尺寸决定。外曲面（1）为一自由曲面，该自由曲面由数值计算软件计算出来，计算自由曲面的程序中融入的目标照明面各点的目标光强，确保了光线从发出后能够经过透镜折射后精确地照射到目标照明点。

Description

一种等亮度照明LED路灯透镜及其设计方法

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种等亮度照明LED路灯透镜及其设计方法。

背景技术

LED进入照明领域后，凭借低能耗、高光效、快响应、长寿命等诸多优势迅速成为照明行业的骄子，这十几年来飞速发展，LED统领照明领域已成不可阻挡之势。但LED发出的光为朗伯分布，很难直接用于照明，需要进行二次光学设计，用于不同照明场景有着不同的要求，因此一门崭新的学科——LED二次光学设计——应运而生。对LED芯片的封装视为一次光学设计，根据一次光学设计的结果设计出折射透镜及反光罩等以满足照明应用的光学设计过程视为二次光学设计。二次光学设计的主要任务是将朗伯型配光改造成能应用于不同场景照明的配光。这个过程对LED在照明领域的应用有着至关重要的作用。

目前，LED二次光学透镜的设计多是根据照度分布进行的，而有些时候并不能够很精确地得到目标照度。亮度，作为人眼直接获取的量能够更好更直接地表达目标要求，《城市道路照明设计标准CJJ45-2006》中给出了沥青和混凝土路面的简化亮度系数及其与光强的关系，据此确定灯具位置后我们能够精确地计算出目标照明点所需的光强，从而逆向推算出透镜的外形。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述现有技术的缺陷，提出了一种等亮度照明LED路灯透镜及其设计方法。

本发明是这样实现的：一种等亮度照明LED路灯透镜，包括外曲面（1）、底面（2）以及设置底面上的LED灯腔（3）；

外曲面（1）由沿中轴左右对称的不规则曲面构成；

LED灯腔（3）是一个内凹的半球面，该半球面的半径由所选用LED灯珠的尺寸决定。

等亮度照明LED路灯透镜的设计方法，步骤如下：

（1）从简化亮度系数表读出目标照明面各点所需光强；

（2）根据目标照明面光强分布结合光源光强分布进行能量映射；

（3）运用数值计算软件计算出曲面上各点的坐标；

（4）根据几何光学折射原理，将所得坐标导入CAD软件进行建模，得到透镜模型。

目标照明面各点所需光强从简化亮度系数表中读取或者采用内插法进行计算得到。

能量映射是根据能量守恒定律，将光源某一立体角Ω内的光通量按光强分布与经透镜折射后的某一立体角Ω'内的光通量进行映射，即光源某一立体角Ω内的光通量与经透镜折射后的某一立体角Ω'内的光通量恒等。

本发明获得的有效效果是：根据光强分布进行LED二次光学透镜，该方法从光通量及光强的关系出发，严格遵从能量守恒定律，将灯珠出射某一立体角内的光通量与经透镜折射后的另一立体角对应，将LED灯珠近乎所有光线折射于照明面，充分利用了光源光能量。经照明设计软件DiaLux验证，证明透镜可以满足道路照明标准，亮度均匀度比标准高出二十多个百分点，接近等亮度。

附图说明

图1是本发明等亮度照明LED路灯透镜的正面立体图。

图2是本发明等亮度照明LED路灯透镜的反面立体图。

图3是目标照明点与灯具的几何关系示意图。

图4是光线折射示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，一种等亮度照明LED路灯透镜，包括外曲面1、底面2以及设置底面上的LED灯腔3；

外曲面1由沿中轴左右对称的不规则曲面构成；

LED灯腔3是一个内凹的半球面，该半球面的半径由所选用LED灯珠的尺寸决定。

等亮度照明LED路灯透镜的设计方法，步骤如下：

（1）计算目标照明面各点的目标光强

a）根据《城市道路照明设计标准CJJ45-2006》中简化亮度系数表结合几何关系可以读出照明面上某些特定点的简化亮度系数。

将观察点设置在距离灯杆60m处，并位于一车道中间，根据图3的几何关系可以得到目标面上各位置处对应的tan(γ)与β，对应关系如下：

$\tan (\mathrm{\γ})=\frac{\sqrt{x^2+{(y-t)}^2}}{h}---\left(1\right)$

$\mathrm{\&beta;}=\left\{\begin{array}{cc}|90-\arctan \left(\frac{t-y}{x}\right)\&times;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}-\arctan \left(\frac{c+x}{a/2-y}\right)\&times;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}|& 0\&le;y\&le;t\\ 180-\arctan \left(\frac{x}{y-t}\right)\&times;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}-\arctan \left(\frac{c+x}{a/2-y}\right)\&times;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}& t<y\&le;a/2\\ \arctan \left(\frac{c+x}{y-a/2}\right)\&times;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}-\arctan \left(\frac{x}{y-t}\right)\&times;\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}& a/2\&le;y\&le;a\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中a为道路半宽，b为灯具照明范围的半长度，c为观察点与灯杆的距离，h为灯杆高度，t为灯具相对于道路边缘的突出长度，x、y分别为路面上点的坐标。由式(1)(2)可以计算出路面上的点对应的tan(γ)与β。

b）注意到系数表中tan(γ)与β的值很有限，只可得出某些特定点的系数，对于表中不能直接读取的系数我们采用内插法读取。下面用一例子进行说明，设某点对应tan(γ)与β，且满足tan(γ)₁≤tan(γ)<tan(γ)₂，β₁≤β<β₂，如表所示，

	β1	β2
			tan(γ)1	r1	r2
tan(γ)2	r3	r4

则用内插法可求得该点对应的系数V为：

$r=\{r_1+\frac{r_3-r_1}{\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_2-\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_1}[\tan \left(\mathrm{\&gamma;}\right)-\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_1\left]\right\}+(\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}_1)$

$\&times;\&lang;\frac{\{r_2+\frac{r_4-r_2}{\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_2-\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_1}[\tan \left(\mathrm{\&gamma;}\right)-\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_1\left]\right\}-\{r_1+\frac{r_3-r_1}{\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_2-\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_1}[\tan \left(\mathrm{\&gamma;}\right)-\tan {\left(\mathrm{\&gamma;}\right)}_1\left]\right\}}{{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1}\&rang;---\left(3\right)$

c）得到系数后把系数按（4）式转换为光强，

$I=\frac{1000}{r}---\left(4\right)$

得到各照明点所需要的目标光强。

（2）根据目标照明面光强分布结合光源光强分布进行能量映射

LED光源的光强分布为郞伯型

I(θ)=I₀*cos(θ)（5）

由能量守恒原理可推算出：

$\mathrm{\&Delta;\&gamma;}=\frac{I\left(\mathrm{\&theta;}\right)*\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)*\mathrm{\&Delta;\&theta;}}{I\left(\mathrm{\&gamma;}\right)*\sin \left(\mathrm{\&gamma;}\right)}---\left(6\right)$

将上式离散化得：

${\mathrm{\&gamma;}}_{i+1}={\mathrm{\&gamma;}}_i+\frac{I\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)*\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)*\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_i}{I\left({\mathrm{\&gamma;}}_i\right)*\sin \left({\mathrm{\&gamma;}}_i\right)}---\left(7\right)$

从而可由几何关系得出各光线的目标照明点为：

Tx_i≈z*tan(γ_i)（8）

（3）运用数值计算软件计算出曲面上各点的坐标

由图4可知，只要对θ角进行划分，结合目标照明面各点光强便可得出每条与z轴夹角为θ的光线要求要照射的目标点的位置，即已确定光的起点和末点。

（4）根据几何光学折射原理，将所得坐标导入CAD软件进行建模，得到透镜模型。

根据几何光学折射原理，结合各光线与相应目标照明面各点位置，设定透镜中心的初始高度，运用迭代算法可计算出曲面各点的坐标，最后把各坐标点导入CAD软件即可得到透镜的外曲面，将曲面补全为一个实体，并将下底端平面挖除半球面，便得到整个透镜的外形。

以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。

Claims (2)

1.一种等亮度照明LED路灯透镜的设计方法，步骤如下：

（1）从《城市道路照明设计标准CJJ45-2006》中的简化亮度系数表读出目标照明面各特定点所需的简化亮度系数，对于《城市道路照明设计标准CJJ45-2006》中的简化亮度系数表中不能直接读取简化亮度系数的点，采用内插法计算其简化亮度系数；然后，再假设光强为I，利用公式I=1000/r，计算得到目标照明面所有点所需光强。

（2）根据目标照明面光强分布结合光源光强分布进行能量映射；

（3）运用数值计算软件计算出透镜的外曲面上各点的坐标；

（4）根据几何光学折射原理，将所得坐标导入CAD软件进行建模，得到透镜模型。

2.如权利要求1所述的一种等亮度照明LED路灯透镜的设计方法，其特征在于：能量映射是根据能量守恒定律，将光源某一立体角内的光通量按光强分布与经透镜折射后的某一立体角内的光通量进行映射，即光源某一立体角内的光通量与经透镜折射后的某一立体角内的光通量恒等。