專利名稱：Led燈具配光模塊的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明領(lǐng)域，尤其是涉及一種大功率LED路燈、隧道燈、工礦燈等燈 具配光模塊的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
LED照明光源作為新型的照明光源，其具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長、低耗等優(yōu)點， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭照明、商業(yè)照明、公路照明、工礦照明等場合。LED照明光源在公路照明的應(yīng)用主要是LED路燈或隧道燈的應(yīng)用，現(xiàn)有的LED路燈 或隧道燈具有一根燈柱，在燈柱上端安裝有燈頭，燈頭包括燈罩、殼體等，并在燈罩內(nèi)設(shè)置 LED配光模塊。常見的LED配光模塊具有一塊基板，基板上封裝有一顆或多顆LED芯片，并 且在LED芯片前套裝有透鏡，LED芯片發(fā)出的光通過透鏡后折射向路面。如果沒經(jīng)過二次 光學(xué)設(shè)計，LED芯片發(fā)出的光線在地面上投影的光斑呈圓形，總有一部分光線照射在路肩、 人行道或者車道旁邊的景觀上，導(dǎo)致光的浪費和光污染，路面也需要配置更多的燈具才能 使照度符合標(biāo)準(zhǔn)，造成能源的損耗。目前，比較理想的光斑是根據(jù)道路的形狀設(shè)定的照度均 勻的矩形光斑，光斑按路面照度要求分布，無多余光照射人行道或路邊景觀，符合節(jié)能和按 需分配光的要求。公告號為CN201348195Y的中國實用新型專利公開了一種名為“LED路燈透鏡裝 置”的發(fā)明創(chuàng)造，該透鏡裝置與LED芯片的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其具有一個長方體的基座11， 基座11的下方設(shè)有向下延伸的橢圓柱體12，橢圓柱體12頂面的中部設(shè)有向下凹陷的中空 部13，基板15封裝在中空部13內(nèi)。在基板15的下端面封裝有一顆LED芯片14，LED芯片 14發(fā)出的光線穿過橢圓柱體12射向路面。由于橢圓柱體12的一對側(cè)面是平面，且下端面 大致呈矩形，因此光線穿過橢圓柱體12下端面后形成的光斑大致成矩形，可避免光線射向 路肩而造成光能浪費和光污染。但是，由于LED芯片14的發(fā)光角大致為170°，因此部分光線將從橢圓柱體12的 側(cè)壁射出，這部分光線往往射向距離被照面較遠(yuǎn)的地方。因此，LED芯片14發(fā)出的光線穿 過該透鏡裝置后仍有部分光線未能得到充分利用，同時，LED光源發(fā)光角大于眩光角后會產(chǎn) 生眩光，對行人和行車造成安全隱患，路面照度不足，還需要增加LED芯片的數(shù)目和燈具的 功率，導(dǎo)致電能的浪費。并且，道路照明中要求被照面的照度均勻，如果沒有對LED光源進(jìn)行二次配光設(shè) 計，就會導(dǎo)致LED芯片發(fā)出的光線照射在路面上時，出現(xiàn)部分區(qū)域較亮，部分區(qū)域較暗的情 況，不利于行人以及駕駛員觀察路面情況，造成安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以低損地形成矩形光斑的LED燈具配光模塊的設(shè)計方法。為此，本發(fā)明提供的LED燈具配光模塊的設(shè)計方法中，該LED燈具配光模塊包括基板，基板上封裝有LED芯片、沿LED芯片的照射方向上設(shè)置勻光聚束反光器，在勻光聚束反 光器出光方向上設(shè)置有用高透光率材料制成的光束整形擴束器，光束整形擴束器具有朝向 勻光聚束反光器的一面設(shè)有入射面以及與入射面相對一面設(shè)有出射面，該方法包括根據(jù)被 照面的照度要求和和環(huán)境要求確定LED芯片的位置以及勻光聚束反光器的收斂角度，并將 LED芯片發(fā)出的光經(jīng)過勻光聚束反光器后的等照度面劃分成多個面積相等的網(wǎng)格，將被照 路面也劃分成同樣多個面積相等的網(wǎng)格；根據(jù)光分布及照明要求確定LED芯片發(fā)出的光線 經(jīng)過勻光聚束反光器后的最大出光角，建立被照面的網(wǎng)格與路面網(wǎng)格之間的對應(yīng)關(guān)系，并 根據(jù)光束整形擴束器材料的折射率計算LED芯片的光需要偏轉(zhuǎn)的角度，根據(jù)光分布情況以 及最大出光角計算光束整形擴束器的在第一方向的曲線，再在與第一方向垂直的第二方向 上進(jìn)行柱面延伸，得到入射面及出射面的曲面形狀。由上述方法設(shè)計的LED燈具配光模塊中，勻光聚束反光器能將LED芯片發(fā)出的光 線收斂在一個較小的出光角內(nèi)，并且，設(shè)計過程中通過勻光聚束反光器控制光線出射的最 大出光角，這樣LED芯片發(fā)出的光線聚集在LED芯片的正前方射出，再通過光束整形擴束器 的折射形成矩形的光斑，從而符合被照面的要求，防止眩光的產(chǎn)生和減少光的浪費。一個優(yōu)選的方案是，建立被照面的網(wǎng)格與通過勻光聚束反光器后光等照度面的網(wǎng) 格關(guān)系的步驟中，以被照面上任一等照度面網(wǎng)格的光通量與被照面網(wǎng)格的光通量相等為條 件。 由此可見，根據(jù)上述條件設(shè)置的LED燈具配光模塊，能確保LED芯片發(fā)出的光線均 勻的射向路面，從而確保被照路面受光均勻，避免在路面上形成間隔的光亮區(qū)域與暗淡區(qū) 域，有利于駕駛員以及行人看清楚路面情況。進(jìn)一步的方案是，通過計算入射面及出射面的步驟中，在第一方向上，以最大出光 角出射的光線入射至光束整形擴束器后從出射面出射到路面網(wǎng)格的邊緣為第一方向的邊 界為條件，在第二方向，以最大出光角出射的光線入射至光束整形擴束器后從出射面出射 到路面第二方向網(wǎng)格的邊緣為第二方向的邊界為條件。通過上述邊界條件，算出在第一方向，光線在非球面的一組解，該解為兩條曲線， 該兩曲線的物理意義為一束光線通過該曲線之間的光密介質(zhì)的折射后到達(dá)被照面預(yù)定的 網(wǎng)格上。根據(jù)第一組解，用迭代法不斷迭代計算出第N組解，直到另一邊界為止。由于計算 出的解都在最大出光角的邊界之內(nèi)，所以光經(jīng)過非球面后，光線可按非球面的方向把光線 折射到所需要照明的被照面上，不會有光線超出網(wǎng)格的范圍。再進(jìn)一步的方案是，入射面的中部構(gòu)成向光束整形擴束器的本體凹陷的柱面，出 射面具有向光出射方向凸起的弧面，柱面的中線面與弧面的中線面重疊?？梢?，進(jìn)入透鏡的 光線從弧面出射時，入射角較小，可避免全反射現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少光在透鏡介質(zhì)中的損
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圖1是現(xiàn)有一種LED燈具配光透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的LED燈具配光模塊的勻光聚束反光器與光束整 形擴束器的結(jié)構(gòu)圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的LED燈具配光模塊的光束整形擴束器的剖視
4圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例所設(shè)計的LED燈具配光模塊的光路圖。圖5是本發(fā)明實施例中將經(jīng)過勻光聚束反光器光線的等照度面劃分網(wǎng)格的示意 圖。圖6是本發(fā)明實施例中將被照路面劃分網(wǎng)格的示意圖。以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的LED燈具配光模塊位于LED燈具的燈柱上端，且密封在燈罩內(nèi)， 通常LED燈具配光模塊與被照路面之間的垂直距離有5-12米。LED燈具配光模塊具有一塊基板，基板上封裝有多顆LED芯片，每一顆LED芯片都 朝下設(shè)置。在基板上芯片位置設(shè)置有勻光聚束反光器，在勻光聚束反光器的下方還設(shè)有光 束整形擴束器，勻光聚束反光器與光束整形擴束器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。勻光聚束反光器20具有周壁21，周壁21的上端為入光口 22，入光口 22可固定在 基板上，且LED芯片封裝在入光口 22內(nèi)。與入光口 22相對的一端為出光口 23，LED芯片發(fā) 出的光線經(jīng)出光口 23向外射出。在勻光聚束反光器20的下方，也就是LED芯片發(fā)出光線的照射方向上設(shè)有光束整 形擴束器30。光束整形擴束器30通過連接結(jié)構(gòu)固定在燈罩內(nèi)并形成密封，其結(jié)構(gòu)如圖3所
7J\ ο光束整形擴束器30具有本體31，本體31的上端面為入射面32，也就是入射面32 朝向勻光聚束反光器20設(shè)置。入射面32的中部設(shè)有向本體31內(nèi)凹陷的非球狀柱面33，非 球狀柱面33貫穿本體31的一對側(cè)壁。由圖3與圖4可見，非球狀柱面33的兩個表面分別 是斜面；34與斜面35，經(jīng)勻光聚束反光器20周壁21反射的光線可入射至斜面34或斜面35 上，并入射至本體31內(nèi)。圖3所示是光束整形擴束器30在xOz面上的剖視圖，光束整形擴束器30是沿xOz 面的投影在y軸方向上拉伸而成的柱面體。非球狀柱面33有一個中線面36，其過非球狀柱面33的脊線且與入射面32的平面 部分垂直，非球狀柱面33的兩個斜面34、35與中線面36對稱設(shè)置。本體31的下端面為出射面37，出射面37與入射面32相對設(shè)置。在出射面37的 中部設(shè)有向光出射方向凸起的弧面38。中線面39與非球狀柱面33的中線面36重疊。從 光束整形擴束器30出射的光線經(jīng)弧面38出射。LED芯片40位于勻光聚束反光器20的入光口 22上，LED芯片40發(fā)出的光線經(jīng)過 周壁21的反射后從出光口 23出射，并入射至非球狀柱面33的兩個斜面34、35上，再經(jīng)過 光束整形擴束器30的折射后，從光束整形擴束器30的出射面37射向路面。本實施例中， 勻光聚束反光器20的軸線位于非球狀柱面33的中線面36上，且LED芯片40也位于非球 狀柱面33的中線面36上。 LED芯片40發(fā)出的光線經(jīng)過勻光聚束反光器20的反射后，出光角被收斂在一個較 小的角度內(nèi)，被反射的光線能以較小的入射角入射至非球狀柱面33的兩個斜面34、35上， 在入射至光束整形擴束器30的本體31后發(fā)生折射。這樣，勻光聚束反光器20將射向LED
5芯片40四周的光線收集并使光線從LED芯片40的前方射出，且從勻光聚束反光器20出射 的光線均入射至光束整形擴束器30，減小了發(fā)光角，防止眩光產(chǎn)生，減少光能的浪費，也節(jié) 省電能。同時，將光束整形擴束器30出射面37的一部分設(shè)計成非球面狀的弧面38，減少光 線從光束整形擴束器30的本體31出射向另一介質(zhì)(空氣)時的入射角，避免了在這一界面 發(fā)生全反射的現(xiàn)象，也能有效地避免光能的浪費，提高光的利用率。并且，由于光束整形擴束器30在一個方向上投影是一維是非球面，在另一方向上 的投影是直線，如圖4所示的，光線經(jīng)過光束整形擴束器30后，光均勻的分布在被照路面 上，形成明顯的均勻的“矩形”光斑的效果。制造LED燈具時，需要制造燈柱、燈罩等，并設(shè)計安裝在燈罩內(nèi)的LED燈具配光模 塊。設(shè)計配光模塊時，首先根據(jù)照明條件與照明環(huán)境要求，如路面的照明亮度要求、光斑 的長度與寬度要求、LED光源與路面垂直距離的要求等，確定作為光源的LED芯片與勻光 聚束反光器的位置，確定LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過勻光聚束反光器后的最大出光角，以此 設(shè)計勻光聚束反光器。本實施例所設(shè)計的勻光聚束反光器，其設(shè)計方法可參考公開號為 CN101900296A的中國發(fā)明專利申請。當(dāng)然，也可以使用其他的設(shè)計方法設(shè)計反光器件。設(shè)計勻光聚束反光器后，可根據(jù)被照面的寬度確定光線從勻光聚束反光器出射的 最大出光角，如圖4所示的，光線Li、L2均是從LED芯片出射，并經(jīng)過勻光聚束反光器下邊 緣的光線，光線L1、L2之間的夾角α即為最大出光角。由于LED芯片發(fā)出的光在與LED芯片距離相等的球面上是照度相等的，因此LED 芯片的等照度面接近于一個半球面。通過勻光聚束反光器的反射后，等照度面為一個收斂 后的曲面。設(shè)計配光模塊時，將光線通過勻光聚束反光器出光口后的等照度面劃分成多個面 積相等網(wǎng)格，如圖5所示。同時，將被照面也劃分成同樣多個面積相等的網(wǎng)格，如圖6所示， 劃分網(wǎng)格時可根據(jù)路面的均勻度要求確定劃分的網(wǎng)格大小及數(shù)量，網(wǎng)格越多，照度的均勻 度越好。然后，建立等照度面的網(wǎng)格與被照面的網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系。其中，對應(yīng)網(wǎng)格的光通量相 等，當(dāng)網(wǎng)格在y方向微分到一定程度后，便成了一條線。然后，在y方向?qū)υ撉€進(jìn)行柱面 延伸，直到在y方向上的另一邊界為止。
根據(jù)路面網(wǎng)格與等照度面網(wǎng)格的關(guān)系，可以得出從LED芯片發(fā)出光束的需要偏移的角 度，即根據(jù)光束整形擴束器材料的折射率，可以算出光在光束整形擴束器入射面與出射面 的曲面形狀。當(dāng)然，設(shè)計入射面與出射面時，還需要考慮經(jīng)過勻光聚束反光器后以最大出光角 出射的光線進(jìn)入光束整形擴束器后，在發(fā)生折射時，也會發(fā)生反射，從出射面出射的光，盡 量避免光發(fā)生的反射照射到了預(yù)定路面之外，這樣能避免光能量的損耗和產(chǎn)生眩光。此外，設(shè)計入射面以及出射面時，需要以被照路面上任一網(wǎng)格的光通量與等照度 面任一網(wǎng)格光通量相等為條件，這通過建立等照度面的光通量與被照路面光通量的積分等 式實現(xiàn)。并且，計算入射面及出射面的曲面形狀的步驟中，還需要以最大出光角出射的光線 入射至光束整形擴束器后從出射面出射的光線照射到被照面的邊緣為邊界條件，這通過改 變?nèi)肷涿媾c出射面的曲面形狀可實現(xiàn)。由上述方案可見，LED芯片發(fā)出的光線能有效地被控制在一個較小的出光角內(nèi)，且光線穿過光束整形擴束器并射向需要照亮的路面上，形成矩形光斑，同時光線柔和對人眼 舒適，對人眼無害，無光污染，可以以低成本的方式形成矩形光斑。并且，上述的設(shè)計方法考 慮了被照路面的實際照明情況，通過將勻光聚束反光器出光口處的等照度面劃分成網(wǎng)格， 并將被照路面劃分成網(wǎng)格，通過對應(yīng)網(wǎng)格的光通量相等來確保在χ軸方向上與y軸方向上 被照路面上每一網(wǎng)格處光通量相等，避免在路面上形成暗區(qū)，有利于駕駛?cè)伺c行人觀察路 面情況。當(dāng)然，上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選方案，實際應(yīng)用時還有其他的變化，例如，使 用聚光透鏡替代勻光聚束反光器作為收斂的聚光器件，這樣，LED芯片需要設(shè)置在聚光透鏡 的光軸上，且光束整形擴束器的非球狀柱面的中線面也經(jīng)過聚光透鏡的光軸，這樣的改變 也能實現(xiàn)本發(fā)明的目的。最后需要強調(diào)的是，本發(fā)明不限于上述實施方式，如矩形光斑的尺寸的改變、勻光 聚束反光器收斂角度的改變、LED光源的類型等設(shè)計方法的改變也應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利 要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.LED燈具配光模塊的設(shè)計方法，該LED燈具配光模塊包括基板，所述基板上封裝有 LED芯片、沿所述LED芯片的照射方向上設(shè)置的勻光聚束反光器、在勻光聚束反光器出光方 向上設(shè)置有光束整形擴束器，所述光束整形擴束器具有朝向所述勻光聚束反光器的一面設(shè) 有入射面以及與所述入射面相對的另一面設(shè)有出射面，該方法包括根據(jù)被照面和環(huán)境要求，確定所述LED芯片及所述勻光聚束反光器的位置，并將所述 LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過所述勻光聚束反光器后的等照度面劃分成多個面積相等的網(wǎng)格， 將被照路面也劃分成多個面積相等的網(wǎng)格；根據(jù)被照面的光分布及照明要求確定所述LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過所述勻光聚束反 光器后的最大出光角，建立所述被照面網(wǎng)格與所述等照度面網(wǎng)格的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)光束 整形擴束器材料的折射率計算光需要偏轉(zhuǎn)的角度，并根據(jù)所述光分布情況以及所述最大出 光角計算所述光束整形擴束器的所述入射面及所述出射面的曲面形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED燈具發(fā)配光模塊設(shè)計方法，其特征在于建立所述被照面與所述等照度面的對應(yīng)關(guān)系的步驟中，以所述被照路面上任一網(wǎng)格的 光通量與所述等照度面任一網(wǎng)格光通量相等為條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED燈具配光模塊的設(shè)計方法，其特征在于計算所述入射面及所述出射面的曲面形狀的步驟中，以所述最大出光角出射的光線入 射至所述光束整形擴束器后從所述出射面出射的光線照射到所述被照面的邊緣為邊界條 件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的LED燈具配光模塊的設(shè)計方法，其特征在于 所述入射面的中部構(gòu)成向所述光束整形擴束器的本體凹陷的柱面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的LED燈具配光模塊的設(shè)計方法，其特征在于所述出射面具有向光出射方向凸起的弧面，所述弧面的中線面與所述柱面的中線面重疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的LED燈具配光模塊的設(shè)計方法，其特征在于 所述勻光聚束反光器具有一朝向所述光束整形擴束器的出光口以及與所述出光口相對的入光口，所述LED芯片設(shè)在入光口的中心。
全文摘要
本發(fā)明提供一種LED燈具配光模塊的設(shè)計方法，配光模塊包括基板，基板上封裝有LED芯片及光束整形擴束器、勻光聚束反光器，光束整形擴束器具有相對設(shè)置的入射面以及出射面，該方法包括確定LED芯片及勻光聚束反光器的位置，將LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過勻光聚束反光器后的等照度面劃分成多個網(wǎng)格，將被照路面也劃分成同樣多個網(wǎng)格；確定LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過勻光聚束反光器后的最大出光角，根據(jù)光束整形擴束器材料的折射率計算計算光束整形擴束器的入射面及出射面的曲面形狀。根據(jù)上述方法設(shè)計的LED燈具配光模塊能讓光按路面需要形成一個照度均勻的矩形光斑，同時，經(jīng)過光束整形擴束器的光線對人眼舒適，無眩光。
文檔編號F21V13/04GK102121678SQ20111000838
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月15日
發(fā)明者劉偉奇, 楊罡, 靳寶玉 申請人:珠海晟源同泰電子有限公司