CN102121678B - Led灯具配光模块的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED灯具配光模块的设计方法，配光模块包括基板，基板上封装有LED芯片及光束整形扩束器、匀光聚束反光器，光束整形扩束器具有相对设置的入射面以及出射面，该方法包括确定LED芯片及匀光聚束反光器的位置，将LED芯片发出的光线经过匀光聚束反光器后的等照度面划分成多个网格，将被照路面也划分成同样多个网格；确定LED芯片发出的光线经过匀光聚束反光器后的最大出光角，根据光束整形扩束器材料的折射率计算计算光束整形扩束器的入射面及出射面的曲面形状。根据上述方法设计的LED灯具配光模块能让光按路面需要形成一个照度均匀的矩形光斑，同时，经过光束整形扩束器的光线对人眼舒适，无眩光。

Description

LED灯具配光模块的设计方法

技术领域

本发明涉及LED照明领域，尤其是涉及一种大功率LED路灯、隧道灯、工矿灯等灯具配光模块的设计方法。

背景技术

LED照明光源作为新型的照明光源，其具有节能、环保、使用寿命长、低耗等优点，已经广泛应用于家庭照明、商业照明、公路照明、工矿照明等场合。

LED照明光源在公路照明的应用主要是LED路灯或隧道灯的应用，现有的LED路灯或隧道灯具有一根灯柱，在灯柱上端安装有灯头，灯头包括灯罩、壳体等，并在灯罩内设置LED配光模块。常见的LED配光模块具有一块基板，基板上封装有一颗或多颗LED芯片，并且在LED芯片前套装有透镜，LED芯片发出的光通过透镜后折射向路面。如果没经过二次光学设计，LED芯片发出的光线在地面上投影的光斑呈圆形，总有一部分光线照射在路肩、人行道或者车道旁边的景观上，导致光的浪费和光污染，路面也需要配置更多的灯具才能使照度符合标准，造成能源的损耗。目前，比较理想的光斑是根据道路的形状设定的照度均匀的矩形光斑，光斑按路面照度要求分布，无多余光照射人行道或路边景观，符合节能和按需分配光的要求。

公告号为CN201348195Y的中国实用新型专利公开了一种名为“LED路灯透镜装置”的发明创造，该透镜装置与LED芯片的结构图如图1所示，其具有一个长方体的基座11，基座11的下方设有向下延伸的椭圆柱体12，椭圆柱体12顶面的中部设有向下凹陷的中空部13，基板15封装在中空部13内。在基板15的下端面封装有一颗LED芯片14，LED芯片14发出的光线穿过椭圆柱体12射向路面。由于椭圆柱体12的一对侧面是平面，且下端面大致呈矩形，因此光线穿过椭圆柱体12下端面后形成的光斑大致成矩形，可避免光线射向路肩而造成光能浪费和光污染。

但是，由于LED芯片14的发光角大致为170°，因此部分光线将从椭圆柱体12的侧壁射出，这部分光线往往射向距离被照面较远的地方。因此，LED芯片14发出的光线穿过该透镜装置后仍有部分光线未能得到充分利用，同时，LED光源发光角大于眩光角后会产生眩光，对行人和行车造成安全隐患，路面照度不足，还需要增加LED芯片的数目和灯具的功率，导致电能的浪费。

并且，道路照明中要求被照面的照度均匀，如果没有对LED光源进行二次配光设计，就会导致LED芯片发出的光线照射在路面上时，出现部分区域较亮，部分区域较暗的情况，不利于行人以及驾驶员观察路面情况，造成安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以低损地形成矩形光斑的LED灯具配光模块的设计方法。

为此，本发明提供的LED灯具配光模块的设计方法中，该LED灯具配光模块包括基板，基板上封装有LED芯片、沿LED芯片的照射方向上设置匀光聚束反光器，在匀光聚束反光器出光方向上设置有用高透光率材料制成的光束整形扩束器，光束整形扩束器具有朝向匀光聚束反光器的一面设有入射面以及与入射面相对一面设有出射面，该方法包括根据被照面的照度要求和和环境要求确定LED芯片的位置以及匀光聚束反光器的收敛角度，并将LED芯片发出的光经过匀光聚束反光器后的等照度面划分成多个面积相等的网格，将被照路面也划分成同样多个面积相等的网格；根据光分布及照明要求确定LED芯片发出的光线经过匀光聚束反光器后的最大出光角，建立被照面的网格与路面网格之间的对应关系，并根据光束整形扩束器材料的折射率计算LED芯片的光需要偏转的角度，根据光分布情况以及最大出光角计算光束整形扩束器的在第一方向的曲线，再在与第一方向垂直的第二方向上进行柱面延伸，得到入射面及出射面的曲面形状。

由上述方法设计的LED灯具配光模块中，匀光聚束反光器能将LED芯片发出的光线收敛在一个较小的出光角内，并且，设计过程中通过匀光聚束反光器控制光线出射的最大出光角，这样LED芯片发出的光线聚集在LED芯片的正前方射出，再通过光束整形扩束器的折射形成矩形的光斑，从而符合被照面的要求，防止眩光的产生和减少光的浪费。

一个优选的方案是，建立被照面的网格与通过匀光聚束反光器后光等照度面的网格关系的步骤中，以被照面上任一等照度面网格的光通量与被照面网格的光通量相等为条件。

由此可见，根据上述条件设置的LED灯具配光模块，能确保LED芯片发出的光线均匀的射向路面，从而确保被照路面受光均匀，避免在路面上形成间隔的光亮区域与暗淡区域，有利于驾驶员以及行人看清楚路面情况。

进一步的方案是，通过计算入射面及出射面的步骤中，在第一方向上，以最大出光角出射的光线入射至光束整形扩束器后从出射面出射到路面网格的边缘为第一方向的边界为条件，在第二方向，以最大出光角出射的光线入射至光束整形扩束器后从出射面出射到路面第二方向网格的边缘为第二方向的边界为条件。

通过上述边界条件，算出在第一方向，光线在非球面的一组解，该解为两条曲线，该两曲线的物理意义为一束光线通过该曲线之间的光密介质的折射后到达被照面预定的网格上。根据第一组解，用迭代法不断迭代计算出第N组解，直到另一边界为止。由于计算出的解都在最大出光角的边界之内，所以光经过非球面后，光线可按非球面的方向把光线折射到所需要照明的被照面上，不会有光线超出网格的范围。

再进一步的方案是，入射面的中部构成向光束整形扩束器的本体凹陷的柱面，出射面具有向光出射方向凸起的弧面，柱面的中线面与弧面的中线面重叠。可见，进入透镜的光线从弧面出射时，入射角较小，可避免全反射现象的发生，从而减少光在透镜介质中的损耗。

附图说明

图1是现有一种LED灯具配光透镜的结构示意图。

图2是根据本发明实施例所设计的LED灯具配光模块的匀光聚束反光器与光束整形扩束器的结构图。

图3是根据本发明实施例所设计的LED灯具配光模块的光束整形扩束器的剖视图。

图4是根据本发明实施例所设计的LED灯具配光模块的光路图。

图5是本发明实施例中将经过匀光聚束反光器光线的等照度面划分网格的示意图。

图6是本发明实施例中将被照路面划分网格的示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

根据本发明设计的LED灯具配光模块位于LED灯具的灯柱上端，且密封在灯罩内，通常LED灯具配光模块与被照路面之间的垂直距离有5-12米。

LED灯具配光模块具有一块基板，基板上封装有多颗LED芯片，每一颗LED芯片都朝下设置。在基板上芯片位置设置有匀光聚束反光器，在匀光聚束反光器的下方还设有光束整形扩束器，匀光聚束反光器与光束整形扩束器的结构如图2所示。

匀光聚束反光器20具有周壁21，周壁21的上端为入光口22，入光口22可固定在基板上，且LED芯片封装在入光口22内。与入光口22相对的一端为出光口23，LED芯片发出的光线经出光口23向外射出。

在匀光聚束反光器20的下方，也就是LED芯片发出光线的照射方向上设有光束整形扩束器30。光束整形扩束器30通过连接结构固定在灯罩内并形成密封，其结构如图3所示。

光束整形扩束器30具有本体31，本体31的上端面为入射面32，也就是入射面32朝向匀光聚束反光器20设置。入射面32的中部设有向本体31内凹陷的非球状柱面33，非球状柱面33贯穿本体31的一对侧壁。由图3与图4可见，非球状柱面33的两个表面分别是斜面34与斜面35，经匀光聚束反光器20周壁21反射的光线可入射至斜面34或斜面35上，并入射至本体31内。

图3所示是光束整形扩束器30在xOz面上的剖视图，光束整形扩束器30是沿xOz面的投影在y轴方向上拉伸而成的柱面体。

非球状柱面33有一个中线面36，其过非球状柱面33的脊线且与入射面32的平面部分垂直，非球状柱面33的两个斜面34、35与中线面36对称设置。

本体31的下端面为出射面37，出射面37与入射面32相对设置。在出射面37的中部设有向光出射方向凸起的弧面38。中线面39与非球状柱面33的中线面36重叠。从光束整形扩束器30出射的光线经弧面38出射。

LED芯片40位于匀光聚束反光器20的入光口22上，LED芯片40发出的光线经过周壁21的反射后从出光口23出射，并入射至非球状柱面33的两个斜面34、35上，再经过光束整形扩束器30的折射后，从光束整形扩束器30的出射面37射向路面。本实施例中，匀光聚束反光器20的轴线位于非球状柱面33的中线面36上，且LED芯片40也位于非球状柱面33的中线面36上。

LED芯片40发出的光线经过匀光聚束反光器20的反射后，出光角被收敛在一个较小的角度内，被反射的光线能以较小的入射角入射至非球状柱面33的两个斜面34、35上，在入射至光束整形扩束器30的本体31后发生折射。这样，匀光聚束反光器20将射向LED芯片40四周的光线收集并使光线从LED芯片40的前方射出，且从匀光聚束反光器20出射的光线均入射至光束整形扩束器30，减小了发光角，防止眩光产生，减少光能的浪费，也节省电能。

同时，将光束整形扩束器30出射面37的一部分设计成非球面状的弧面38，减少光线从光束整形扩束器30的本体31出射向另一介质（空气）时的入射角，避免了在这一界面发生全反射的现象，也能有效地避免光能的浪费，提高光的利用率。

并且，由于光束整形扩束器30在一个方向上投影是一维是非球面，在另一方向上的投影是直线，如图4所示的，光线经过光束整形扩束器30后，光均匀的分布在被照路面上，形成明显的均匀的“矩形”光斑的效果。

制造LED灯具时，需要制造灯柱、灯罩等，并设计安装在灯罩内的LED灯具配光模块。设计配光模块时，首先根据照明条件与照明环境要求，如路面的照明亮度要求、光斑的长度与宽度要求、LED光源与路面垂直距离的要求等，确定作为光源的LED芯片与匀光聚束反光器的位置，确定LED芯片发出的光线经过匀光聚束反光器后的最大出光角，以此设计匀光聚束反光器。本实施例所设计的匀光聚束反光器，其设计方法可参考公开号为CN101900296A的中国发明专利申请。当然，也可以使用其他的设计方法设计反光器件。

设计匀光聚束反光器后，可根据被照面的宽度确定光线从匀光聚束反光器出射的最大出光角，如图4所示的，光线L1、L2均是从LED芯片出射，并经过匀光聚束反光器下边缘的光线，光线L1、L2之间的夹角α即为最大出光角。

由于LED芯片发出的光在与LED芯片距离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个半球面。通过匀光聚束反光器的反射后，等照度面为一个收敛后的曲面。

设计配光模块时，将光线通过匀光聚束反光器出光口后的等照度面划分成多个面积相等网格，如图5所示。同时，将被照面也划分成同样多个面积相等的网格，如图6所示，划分网格时可根据路面的均匀度要求确定划分的网格大小及数量，网格越多，照度的均匀度越好。然后，建立等照度面的网格与被照面的网格对应关系。其中，对应网格的光通量相等，当网格在y方向微分到一定程度后，便成了一条线。然后，在y方向对该曲线进行柱面延伸，直到在y方向上的另一边界为止。   

根据路面网格与等照度面网格的关系，可以得出从LED芯片发出光束的需要偏移的角度，即根据光束整形扩束器材料的折射率，可以算出光在光束整形扩束器入射面与出射面的曲面形状。

当然，设计入射面与出射面时，还需要考虑经过匀光聚束反光器后以最大出光角出射的光线进入光束整形扩束器后，在发生折射时，也会发生反射，从出射面出射的光，尽量避免光发生的反射照射到了预定路面之外，这样能避免光能量的损耗和产生眩光。

此外，设计入射面以及出射面时，需要以被照路面上任一网格的光通量与等照度面任一网格光通量相等为条件，这通过建立等照度面的光通量与被照路面光通量的积分等式实现。并且，计算入射面及出射面的曲面形状的步骤中，还需要以最大出光角出射的光线入射至光束整形扩束器后从出射面出射的光线照射到被照面的边缘为边界条件，这通过改变入射面与出射面的曲面形状可实现。

由上述方案可见，LED芯片发出的光线能有效地被控制在一个较小的出光角内，且光线穿过光束整形扩束器并射向需要照亮的路面上，形成矩形光斑，同时光线柔和对人眼舒适，对人眼无害，无光污染，可以以低成本的方式形成矩形光斑。并且，上述的设计方法考虑了被照路面的实际照明情况，通过将匀光聚束反光器出光口处的等照度面划分成网格，并将被照路面划分成网格，通过对应网格的光通量相等来确保在x轴方向上与y轴方向上被照路面上每一网格处光通量相等，避免在路面上形成暗区，有利于驾驶人与行人观察路面情况。

当然，上述实施例仅是本发明的优选方案，实际应用时还有其他的变化，例如，使用聚光透镜替代匀光聚束反光器作为收敛的聚光器件，这样，LED芯片需要设置在聚光透镜的光轴上，且光束整形扩束器的非球状柱面的中线面也经过聚光透镜的光轴，这样的改变也能实现本发明的目的。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如矩形光斑的尺寸的改变、匀光聚束反光器收敛角度的改变、LED光源的类型等设计方法的改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.LED灯具配光模块的设计方法，该LED灯具配光模块包括基板，所述基板上封装有LED芯片、沿所述LED芯片的照射方向上设置的匀光聚束反光器、在匀光聚束反光器出光方向上设置有光束整形扩束器，所述光束整形扩束器具有朝向所述匀光聚束反光器的一面设有入射面以及与所述入射面相对的另一面设有出射面，该方法包括

根据被照面和环境要求，确定所述LED芯片及所述匀光聚束反光器的位置，并将所述LED芯片发出的光线经过所述匀光聚束反光器后的等照度面划分成多个面积相等的网格，将被照路面也划分成多个面积相等的网格；

根据被照面的光分布及照明要求确定所述LED芯片发出的光线经过所述匀光聚束反光器后的最大出光角，建立所述被照面网格与所述等照度面网格的对应关系，并根据光束整形扩束器材料的折射率计算光需要偏转的角度，并根据所述光分布情况以及所述最大出光角计算所述光束整形扩束器的所述入射面及所述出射面的曲面形状。

2.根据权利要求1所述的LED灯具发配光模块设计方法，其特征在于：

建立所述被照面与所述等照度面的对应关系的步骤中，以所述被照路面上任一网格的光通量与所述等照度面任一网格光通量相等为条件。

3.根据权利要求1所述的LED灯具配光模块的设计方法，其特征在于：

计算所述入射面及所述出射面的曲面形状的步骤中，以所述最大出光角出射的光线入射至所述光束整形扩束器后从所述出射面出射的光线照射到所述被照面的边缘为边界条件。

4.根据权利要求1至3任一项所述的LED灯具配光模块的设计方法，其特征在于：

所述入射面的中部构成向所述光束整形扩束器的本体凹陷的柱面。

5.根据权利要求4所述的LED灯具配光模块的设计方法，其特征在于：

所述出射面具有向光出射方向凸起的弧面，所述弧面的中线面与所述柱面的中线面重叠。

6.根据权利要求1至3任一项所述的LED灯具配光模块的设计方法，其特征在于：

所述匀光聚束反光器具有一朝向所述光束整形扩束器的出光口以及与所述出光口相对的入光口，所述LED芯片设在入光口的中心。

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