CN104834762A - 一种cob型led反射器设计方法 - Google Patents

Abstract

一种COB型LED反射器设计方法，其方法包括如下几个步骤：用理想化的点光源计算出反射器自由曲面的初始数据；用tracepro软件将获取的离散点拟合成只有曲面，并将其划分为m个动态区域；用tracepro软件对自由曲面进行分析，并获取m个动态区域的光照度值；根据m个动态区域的光照度值确立反馈函数和评价函数；根据反馈函数和评价函数对自由曲面进行调整。相对于其它的COB型LED反射器设计方法，本发明所涉及的方法具有实用性强，开发效率高，设计出的反射器的光学效率高等优点。

Description

一种COB型LED反射器设计方法

技术领域

本发明涉及一种LED反射器设计方法，尤其是一种COB型LED反射器设计方法。

背景技术

LED作为最新一代照明光源，它有着寿命长，功耗低，抗震性能好等优点，如今正逐步取代着荧光灯照明市场，进入了照明的各种领域。

随着LED封装技术的发展，COB型LED因有着光功率高、光色均匀等优势，也已成为LED款型的主流型号。但对于LED二次光学设计来说，常用的方法就是将单颗LED看成点光源来设计，这已足以使普通封装的LED的光分布达到所需要的效果。可是，对于COB型封装的LED来说，由于其尺寸较大，倘若单纯的看作点光源来处理，所设计的光源的光分布肯定达不到所需的效果。所以，为了适应COB型LED的发展，在LED二次光学设计上必须要有适用于它的方法。

到目前为止，在光学设计领域，大部分使用同步多曲面设计法、反馈优化法、试错法等方法。但对于上述几种方法使用起来都比较复杂，有些计算结果的准确性也有待提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明结合反馈优化法和试错法提出了一种COB型反射器设计方法，并根据所述的一种COB型反射器设计方法设计了一款光源为直径为10mm的圆形COB封装的LED，目标面半径为150mm的圆形区域，距离为300m且光照度均匀的反射器。

所述的一种COB型反射器设计方法主要包括如下步骤：

a、将光源理想化为一点光源，根据能量守恒定律和反射定律计算出反射器自由曲面上N个离散点的数据。

b、根据a中获得的数据利用tracepro软件拟合出相关的自由曲面，并根据a中所获取的离散点，将反射器的自由曲面均匀地划分为m个动态区域。

c、利用tracepro软件对拟合出的自由曲面进行分析，并获取b中所划分的m个动态区域的平均光照度E_averi。

d、根据m个动态区域平均光照度和各区域所要求的光照度确定一个综合评价函数。

e、分别由m个动态区域平均光照度和各区域所要求的光照度分别确定一个反馈函数。

f、根据评价函数得到的函数值和反馈函数得到的函数值对反射器的自由曲面进行调整。

g、根据最终的优化结果拟合出一反射器。

相对于其它的COB型LED反射器设计方法，所述的一种COB型LED反射器设计方法具有实用性强，开发效率高，设计出的反射器的光学效率高等优点。

附图说明

图1为本发明所涉及的设计方法流程图。

图2为用点光源设计反射器的原理图。

图3为所述实例的最终配光曲线图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明所涉及的设计方法流程图，所涉及的具体设计步骤如下：

本发明所涉及的设计方法的第一步为将COB型LED光源理想化为点光源，其设计原理图如图2所示，根据能量守恒定律可得出反射部分光线对应的θ脚与照射区域半径r的关系如下所示：

${\∫}_0^r{E}_c\·2\mathrm{\πrdr}={\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_r}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}+{\∫}_{\mathrm{\θ}}^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}---\left(1\right)$

因为LED为朗伯光源，所以其中I＝I₀·cosθ，I₀为θ为0处的光照强度。又因为有I₀＝E₀/h²，且tan θ_r＝r/h，故最终可得θ与r的关系为：

$E_c{r}^2=\frac{E_0{r}^2}{h^2(r^2+h^2)}+\frac{E_0}{h^2}(1-{\sin }^2\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

在以上两式中θ_r为最大直射光线的角度，E_c为半径为r的圆形区域的平均光照度，E₀为θ为0处的光照度，h为目标面到光源的距离，若目标面照度均匀，则有E_c＝E₀。

确定了反射部分光线对应的θ脚与照射区域半径r的关系后，由迭代法对自由曲面上的点进行求解。其计算方式如下：

a、根据最大照射区域半径R，将目标面沿X轴方向[0，R]区域内分为N等份，则目标面上的能量环的外半径为从r₀到r_N。

b、根据(2)式求出r₀到r_N所对应的反射部分光线对应的夹脚θ₀到θ_N。

c、确定初始反射部分光线对应的角θ₀，并根据θ₀确定入射光线的方向，再在此入射方向上选取一点P₀(x₀，0，z₀)作为反射器的自由曲面的初始点。

d、根据θ₀、r₀及P₀确定P₀点处自由曲面的切平面T₀。

e、根据切平面T₀及θ₁确定P₁(x₁，0，z₁)，并由θ₁、r₁及P₁确定P₁点处自由曲面的切平面T₁。

f、根据上述步骤便可依次求出自由曲面上的点P₂、P₃、...、P_N，由此便求出了反射器在XZ平面的截线，此截线绕Z轴旋转一周即可获得反射器的自由曲面。

本发明所涉及的设计方法的第二步为对第一步所得出的自由曲面上的数据用tracepro软件进行拟合，并将自由曲面均匀地分成m个动态区域。

本发明所涉及的设计方法的第三步为对获取的反射器的自由曲面进行分析，获取第二步中划分的m个动态区域所对应的目标平均光照度值E_averi。

本发明所涉及的设计方法的第四步为根据m个动态区域所对应的目标平均光照度值E_averi及所要求的m个动态区域的平均光照度值E_ci(i＝1，2，3，...，m)确定一综合评价函数F(E_aver1，E_aver2，...，E_averm)，其表达式如下：

F(E_aver1，E_aver2，...，E_averm)＝max((E_aver1-E_c1)²，(E_aver2-E_c2)²，...，E_averm-E_c3)²)  (3)

在(3)式中，如果光照度均匀，则有E_ci＝E₀。

本发明所涉及的设计方法的第五步为根据m个动态区域所对应的目标平均光照度值E_averi及所要求的m个动态区域的平均光照度值E_ci(i＝1，2，3，...，m)对m个动态区间分别确定一反馈函数，其函数表达式如下：

f(E_averi)＝W_i(E_ci-E_averi)+1  (4)

在(4)式中W_i为m个动态区域反馈函数所对应的权值，i＝1，2，3，...，m。如果光照度均匀，则有E_ci＝E₀。

本发明所涉及的设计方法的第六步为根据评价函数得到的函数值和反馈函数得到的函数值对反射器的自由曲面进行调整。具体调整方法如下：

a、由评价函数得到的函数值F_j和上一次评价函数得到的函数值F_j-1进行对比，判断是否继续对反射器的自由曲面进行进一步的优化。

b、若a中比较的结果为F_j≤F_j-1，则根据每个动态区域的反馈函数值对反射部分光线对应的θ脚与照射区域半径r的关系进行优化，结合(2)式和(4)式，最终确定优化后的θ脚与照射区域半径r的关系为：

$E_c{r}^2-\frac{E_0{r}^2}{h^2(r^2+h^2)}=f\left(E_{\mathrm{averi}}\right)\·\frac{E_0}{h^2}(1-{\sin }^2\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

对于上式，当E_ci-E_averi＞0时，即当目标实际光照度值比所要求的照度低时，f(E_averi)＞1，从而r所对应的θ变小；当E_ci-E_averi＜0时，即当目标实际光照度值比所要求的照度低时，f(E_averi)＜1，从而r所对应的θ变大；当E_ci-E_averi＝0时，即当目标实际光照度值比所要求的照度低时，f(E_averi)＝1，从而r所对应的θ不变。由于LED为朗伯光源，故θ变小有助于提高光照度值，θ变大有助于减弱光照度值，进而达到调整光照度的目的。

c、若a中比较的结果为F_j＞F_j-1，则认为第j-1次的优化结果为最佳，保存第j-1次的结果。反射器的设计到此便设计完成。

本发明所涉及的设计实例为：设计一款光源为直径为10mm的圆形COB封装的LED，目标面半径为150mm的圆形区域，距离为300m且光照度均匀的反射器。

最终，此实例在利用本发明所涉及的设计方法设计后，最终光照度均匀性高达85％以上，光学效率可达95％。如图3所示，其为所述实例的最终配光曲线图。

Claims (5)

1.一种COB型LED反射器设计方法，其特征在于包括如下几个步骤：

将光源理想化为一点光源，计算出反射器自由曲面上N个离散点的数据；

利用tracepro软件拟合出相关的自由曲面，并根据a中所获取的离散点，将反射器的自由曲面均匀地划分为m个动态区域，并获取m个动态区域的平均光照度E_averi；

根据m个动态区域平均光照度和各区域所要求的光照度确定一个综合评价函数；

分别由m个动态区域平均光照度和各区域所要求的光照度分别确定一个反馈函数；

根据评价函数得到的函数值和反馈函数得到的函数值对反射器的自由曲面进行调整；

根据最终的优化结果拟合出一反射器。

2.如权利要求1所述的综合评价函数，其表达式如下：

F(E_aver1，E_aver2，...，E_averm)＝max((E_aver1-E_c1)²，(E_aver2-E_c2)²，...，(E_averm-E_c3)²)

其中E_averi(i＝1，2，3，...，m)为目标平均光照度值，E_ci(i＝1，2，3，...，m)为所要求的m个动态区域的平均光照度值，如果光照度均匀，则有E_ci＝E₀。

3.如权利要求1所述的反馈函数，其表达式如下：

f(E_averi)＝W_i(E_ci-E_averi)+1

其中E_averi(i＝1，2，3，...，m)为目标平均光照度值，E_ci(i＝1，2，3，...，m)为所要求的m个动态区域的平均光照度值，如果光照度均匀，则有E_ci＝E₀，W_i为m个动态区域反馈函数所对应的权值。

4.根据权利要求1所述的由评价函数得到的函数值和反馈函数得到的函数值对反射器的自由曲面进行调整的具体调整方法如下：

a、由评价函数得到的函数值F_j和上一次评价函数得到的函数值F_j-1进行对比，判断是否继续对反射器的自由曲面进行进一步的优化；

b、若a中比较的结果为F_j≤F_j-1，则根据每个动态区域的反馈函数值对反射部分光线对应的θ脚与照射区域半径r的关系进行优化，其中优化后的θ脚与照射区域半径r的关系为：

$E_c{r}^2-\frac{E_0{r}^2}{h^2(r^2+h^2)}=f\left(E_{\mathrm{averi}}\right)\·\frac{E_0}{h^2}(1-{\sin }^2\mathrm{\θ})$

对于上式，当E_ci-E_averi＞0时，即当目标实际光照度值比所要求的照度低时，f(E_averi)＞1，从而r所对应的θ变小；当E_ci-E_averi＜0时，即当目标实际光照度值比所要求的照度低时，f(E_averi)＜1，从而r所对应的θ变大；当E_ci-E_averi＝0时，即当目标实际光照度值比所要求的照度低时，f(E_averi)＝1，从而r所对应的θ不变；

c、若a中比较的结果为F_j＞F_j-1，则认为第j-1次的优化结果为最佳，保存第j-1次的结果。

5.根据权利要求2、3、4所述的COB型LED反射器设计方法，若需得到目标面照度均匀的COB型LED反射器，只需将所要求的m个动态区域的平均光照度值E_ci(i＝1，2，3，...，m)用一固定的光照度值E₀代换。