一种光谱可调的LED人工太阳光照明系统设计方法与流程

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一种光谱可调的LED人工太阳光照明系统设计方法与流程

本发明涉及照明装置技术领域,具体是涉及一种光谱可调的led人工太阳光照明系统设计方法。



背景技术:

半导体照明(led照明)是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。由于具有高效、节能、环保、长寿命、近似点光源等显著特点,是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一,获得了世界主要国家和地区的大力支持,目前全球led产业已经进入快速发展期,全球led照明渗透率正在快速提升。

随着白光led的发光效率不断提高,光效提升空间被进一步限制,以及人们对生活品质的不断追求,光品质开始受到重视,尤其室内照明,对于光品质的要求远远大于对光效的要求;此外,随着社会发展,人口增长,环境变化等因素,大部分人大部分时间的工作或生活活动空间都被压缩在狭窄的室内空间内,自然光慢慢开始变成了一种奢求。在此背景下,发展高品质人工太阳光照明装置成为人们迫切需求的可替代方案。其中,欧美日对照明的研究受传统日光的影响较大,已在此展开了较深入的研究,并形成了类似产品。美国doe规划目标,明确到2025年实现仿全日光的照明。

人工太阳光照明装置,用于产生类似于来自太阳和天空照射的自然光,包括:直射光源和漫射背景光。为了实现这一功能,类似专利如申请号为cn201280078131.0的“用于产生自然光的人工照明装置”,以及申请号为cn201380070311.9的“包含光发射器/准直器对组阵列的人工照明装置”。该系列专利,虽然对人工太阳光照明装置进行了详细阐述,而且进行了比较详细的视觉设计。但仍然存在以下不足:1)使用的直射光无法进行光谱调控;2)漫反射光来源瑞利散射所行成的背景光,这对瑞利散射板中的微粒的调控技术要求较高;3)系统并未涉及出射光及背景光均匀性调控方法;4)总体制作方案复杂,成本高。



技术实现要素:

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足,提供一种光谱可调、制作方案简单、成本低,并通过有效光学解决方案,使得漫反射背景光均匀的同时,大幅度改善了直射光的均匀性的led人工太阳光照明系统的设计方法。

本发明的技术方案是这样实现的:

本发明所述的光谱可调的led人工太阳光照明系统设计方法,其特点是包括以下步骤:

步骤一:设计光谱可调的光源,包括led光源模组设计和色温调控算法设计;其中,

led光源模组设计:根据太阳光谱曲线,选取不同波长的led芯片,或选择表面添加了不同荧光粉的相同led芯片,或选择表面添加了荧光粉的不同led芯片来组成led光源模组;

色温调控算法设计:首先根据色温需求,计算led光源模组中各led单色光的比例,然后采用迭代优化算法,得到设定色温下各led单色光的比例,并采用pwm调光方式控制驱动每一路led单色光的输出,得到稳定可调的太阳光谱光源;

步骤二:设计照明光学系统,包括一次光学设计、聚光系统设计、二次混光设计和漫反射背景光设计;其中,

一次光学设计:设计方式为硅胶形状调控,通过开模灌胶实现,硅胶形状为通用的半球形或具有表面微结构的圆柱形;或者,设计方式为导光管形状调控,导光管为方形导光管或导光柱;或者,设计方式为硅胶形状调控和导光管形状调控两种方式同时使用;该一次光学设计的目的,除传统封装功能外,更在于对led光源模组的一次混光及一次光学设计,不仅能进行有效匀光,而且可有效进行光强分布曲线调控,为二次光学设计提供更多的设计空间;

聚光系统设计:聚光系统为tir透镜,其外表面均为自由曲面;或者,聚光系统为抛物面反射镜与菲涅耳透镜的组合光学系统;设计该聚光系统的目的在于光线方向及发散角的调控;

二次混光设计:对pmma或pc光学材料进行微结构图形设计;或者,在pmma或pc光学材料的表面贴微结构扩散膜;微结构图形为均匀分布或随机分布,且单个微结构图形的高为0.5~1.5um,直径为10~100um;

漫反射背景光设计:漫反射背景光来源于led光源模组,并通过滤光片进行光谱选择;或者,漫反射背景光来源于光学系统内部添加的led芯片光源。

本发明与现有技术相比,具有以下显著优点:

1)本发明基于非成像光学理论,进行了光机电一体化光学系统设计,为光学系统设计提供了更多的设计空间及自由度。相比传统设计方法,从单一波长设计转变到多波长设计思路,使得光源经所设计的光学系统后,光品质将大幅度提高;

2)通过光谱可调光源的设计,以及针对该光源进行的二次光学设计,获得两类出射光,一是类似太阳光谱的直射光,二是类似太空的漫反射背景光。并且,通过有效的一体化光学系统设计,巧妙的解决漫反射背景光均匀性的同时,大幅度改善了直射光的均匀性。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的照明系统整体结构示意图。

图2是本发明的光源模组及led光源排布示意图。

图3是本发明用于输出6000k白光的相对光谱图。

图4是本发明一次光学及混光设计中的方形导光管示意图。

图5是本发明照明系统仿真结构示意图。

图6是本发明反映照明系统仿真结果的出射光照度图和光强随角度分布图。

图7是本发明反映照明系统仿真结果的背景光照度图和光强随角度分布图。

具体实施方式

本发明所述的光谱可调的led人工太阳光照明系统设计方法,包括以下步骤:

步骤一:设计光谱可调的光源,包括led光源模组设计和色温调控算法设计;其中,

led光源模组设计:根据太阳光谱曲线,选取不同波长的led芯片,或选择表面添加了不同荧光粉的相同led芯片,或选择表面添加了荧光粉的不同led芯片来组成led光源模组;

色温调控算法设计:首先根据色温需求,计算led光源模组中各led单色光的比例,然后采用迭代优化算法,得到设定色温下各led单色光的比例,并采用pwm调光方式控制驱动每一路led单色光的输出,得到稳定可调的太阳光谱光源;

步骤二:设计照明光学系统,包括一次光学设计、聚光系统设计、二次混光设计和漫反射背景光设计;其中,

一次光学设计:设计方式为硅胶形状调控,通过开模灌胶实现,硅胶形状为通用的半球形或具有表面微结构的圆柱形;或者,设计方式为导光管形状调控,导光管为方形导光管或导光柱;或者,设计方式为硅胶形状调控和导光管形状调控两种方式同时使用;该一次光学设计的目的,除传统封装功能外,更在于对led光源模组的一次混光及一次光学设计,不仅能进行有效匀光,而且可有效进行光强分布曲线调控,为二次光学设计提供更多的设计空间;

聚光系统设计:聚光系统为tir透镜,其外表面均为自由曲面;或者,聚光系统为抛物面反射镜与菲涅耳透镜的组合光学系统;设计该聚光系统的目的在于光线方向及发散角的调控;

二次混光设计:对pmma或pc光学材料进行微结构图形设计;或者,在pmma或pc光学材料的表面贴微结构扩散膜;微结构图形为均匀分布或随机分布,且单个微结构图形的高为0.5~1.5um,通常设置为1um,且直径为10~100um;

漫反射背景光设计:漫反射背景光来源于led光源模组,并通过滤光片进行光谱选择;或者,漫反射背景光来源于光学系统内部添加的led芯片光源。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1:

1)根据太阳光谱曲线,选取不同波长的led芯片,进行led光源模组的设计,其具体设计方式如图2所示,包括二种蓝光led芯片、一种绿光led芯片、一种红光led芯片和二种白光led芯片,每种颜色的led芯片都是具有窄谱的led单色芯片,且不同芯片均匀排布;

2)优选色温为6000k,进行色温调控算法设计,首先根据该色温,计算各led单色光的比例,然后采用迭代优化算法,得到设定色温下各led单色光的比例,最后采用pwm调光方式控制驱动每一路led单色光的输出,得到稳定可调的太阳光谱光源,光谱图如图3所示。

3)通过方形导光管实现一次光学设计,目的在于匀光,使得不同波长光经导光管内壁多次全反射后,各波长光强分布曲线趋于一致,且导光管出光面照度分布均匀,导光管结构示意图如图4所示。

4)采用tir透镜作为聚光系统,其外表面均为自由曲面;

5)采用在pmma光学板上贴微结构扩散膜来实现二次混光设计,且微结构面朝外设置;

6)漫反射背景光设计,该漫反射背景光来源于led光源模组,并通过滤光片进行光谱选择;通过多层漫反射膜或体扩散材料产生光的漫反射,使得漫反射光弥散在照明系统内部,呈现空间感,而不是简单的从表面发射的漫反射光。

为了验证本实施例的可行性,本发明采用照明设计软件tracepro对该实施例照明系统进行结构建模,并进行光线仿真模拟。仿真过程如下:

1)结构建模,均按该实施例要求同比例建模,具体仿真结构示意图如图5所示;2)材质属性定义;3)按该实施例中光源排布进行光源定义;4)蒙特卡洛光线追迹;5)仿真结果分析。

为了验证出光面是否产生直射光,仿真模型中,在距离离照明系统的两米处放置一个方形检测屏,照度结果如图6所示,方型光斑,均匀度大于98%,发散角约5度。

为了验证出光面是否在产生直射光的同时,产生漫反射背景,选择出光面作为检测屏,照度结果如图7所示。方型光斑,均匀度大于90%,发散角约60度,近朗伯光型。

通过本发明设计的光谱可调的led人工太阳光照明装置,其结构如图1所示,包括led光源模组1、一次混光装置2、聚光透镜3、二次混光装置4、漫反射背景光产生系统5和出光面6。

本发明是通过实施例来描述的,但并不对本发明构成限制,参照本发明的描述,所公开的实施例的其他变化,如对于本领域的专业人士是容易想到的,这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

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