基于led台灯照明的自由曲面透镜构造方法
【专利摘要】本发明请求保护一种LED台灯照明的自由曲面透镜构造方法，该方法将求LED台灯自由曲面透镜从三维空间简化为在二维空间求该透镜自由曲面的母线l，以LED台灯的光源为原点建立坐标，根据Snell定律联系入射、出射光线矢量和法线矢量之间的关系建立方程；LED台灯光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等可列出方程，在计算中目标照明面上形成的光斑为均匀圆形光斑，故照度E相等，这样就可以建立目标照明面上已知坐标和透镜自由曲面坐标的关系。根据已知目标面上的坐标，数值法迭代求解出透镜自由曲面的母线l，将其数据拟合、绕轴旋转得到自由曲面并封闭实体化为透镜。本发明提高了光线的有效利用率和照度均匀度。
【专利说明】基于LED台灯照明的自由曲面透镜构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种LED台灯照明的自由曲面透镜，应用于LED台灯的光源为大功率 LED，通过自由曲面透镜可以提高光源发出光线的有效利用率和照度均匀度，属于LED照明 应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]LED台灯就是用LED(LightEmittingDiode)作为光源的台灯。LED台灯适用于 阅读、书写、批阅等办公室或学习照明场所，保证工作区域具有良好的视觉环境，以提高办 公和学习的效率。如果照明区域的照度及其均匀度较差，会使人们的视觉容易疲劳，而影响 工作效率和视力，所以应特别注重照明的质量。与传统的光源相比，LED照明具有节能、环 保、寿命长、安全、体积小等显著优点。随着大功率LED的光效提升，功率型LED的光效已近 达到1001m/W至1611m/W，利用LED作为台灯的照明光源成为可能。
[0003]LED作为台灯的光源具有很大潜能，因为其使用直流而无闪频，且为高效照明光 源。但是，LED在没有合理的配光情况下，照射到目标面的光斑会出现中间过亮，而四周变暗 的不均匀照明情况。这就需要设计光学器件来对LED台灯光源配光。设计光学器件包括透 镜和反光器，由于前者有利于LED光源的安装和散热结构的设计，而如果使用后者，LED光 源本身及其散热结构对反射光线存在遮挡而影响光线在照明区域的照射分布。故设计高效 的自由曲面透镜，使其具有较好控制出射光角度和较好的照度及其均匀度水平。
【发明内容】
[0004] 针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种光线利用率高，被照明 的照度均匀的，本发明的技术方案如下：一种基于LED台灯照明的自由曲面透镜构造方法， 其包括以下步骤：
[0005] 101、以LED光源为三维坐标系的坐标原点，建立三维坐标系，并测量LED光源到目 标照明面的垂直距离为h，LED光源外部围成自由曲面透镜，假设透镜自由曲面上的坐标为 3.(θ,φ,ρ(θ，φ))，其中Θ为光线在XOy面上投影与X轴正方向的夹角，φ为光线与z轴正方 向的夹角，Ρ(θ，φ)是当角度为(θ,φ)时，a点到原点的距离；目标照明面上的点b(X，y，ζ)，出 射光线、入射光线的单位矢量分别为Out、In以及切平面法向矢量为N，自由曲面透镜折射 率设为n，空气折射率设为1;
[0006] 102、设LED台灯的透镜自由曲面母线1，将三维空间简化为二维空间XOZ或yoz， 在二维空间XOZ或yoz平面上来求解该透镜母线1，，，此时Θ为·|π，k为0, 1，2......;
[0007] 103、取k为0，Θ为〇,二维空间为xoz，建立向量关系，由斯涅尔Snell折射定律 列出向量关系方程；
[0008] 104、根据LED光源辐射通量与目标明接收到的光通量相等列出方程，然后根据目 标照明面上的半径为d的圆形光斑的照度均匀即E相等，LED光源选为朗伯体，其在φ角方 向的光强为=A1c〇s(p，可得以下方程，
【权利要求】
1.一种基于LED台灯照明的自由曲面透镜构造方法，其特征在于：包括以下步骤： 101、 以LED光源为三维坐标系的坐标原点，建立三维坐标系，并测量LED光源到目标 照明面的垂直距离为h，LED光源外部围成自由曲面透镜，假设透镜自由曲面上的坐标为 3.(θ,φ,ρ(0，φ))，艽中Θ为光线在XOy面上投影与X轴正方向的夹角，φ为光线与z轴正方 向的夹角，Ρ(θ,φ)是当角度为(θ，φ)时，a点到原点的距离；目标照明面上的点b(x，y，ζ)，出 射光线、入射光线的单位矢量分别为Out、In以及切平面法向矢量为N，自由曲面透镜折射 率设为n，空气折射率设为1; 102、 设LED台灯的透镜自由曲面母线1，将三维空间简化为二维空间xoz或yoz，在二 维空间xoz或yoz平面上来求解该透镜母线1，，，此时Θ为，k为0, 1，2......; 103、 取k为0，Θ为〇,二维空间为xoz，建立向量关系，由斯涅尔Snell折射定律列出 向量关系方程； 104、 根据LED光源辐射通量与目标明接收到的光通量相等列出方程，然后根据目标照 明面上的半径为d的圆形光斑的照度均匀即E相等，LED光源选为朗伯体，其在9角方向的 光强为Z(V) =A,c〇s(p，可得以下方程，
sirup. 故可知，-d sm(pmax 得方程，^',(P(tP)A) 9 105、 采用用数值法求解步骤104中的微分方程# =/(ρ(ψ)，φ)，采用龙格-库塔法进 αφ 行离散求解得到的一系列数值PUP2, ...PΝ ; 106、 步骤105求解得到的一系列数值Pi，P2,...PΝ，即为透镜的自由曲面母线1上的 点到原点的距离，将母线1上的点转换为直角坐标为，
107、 将得到透镜的自由曲面母线1数据导入建模软件，再将其绕中心轴旋转可得到透 镜的自由曲面，即为LED台灯自由曲面透镜。
2. 根据权利要求1所述的基于LED台灯照明的自由曲面透镜构造方法，其特征在于： 步骤105中的龙格-库塔法在区间[φ",φ"+1]上用四个点的斜率加权平均作为平均斜率的近 似值，这样构成四阶经典龙格-库塔公式，
其中，η= 0, 1，2, · · ·N-l，P(O) =P。，可以求得P η P2, · · ·PN。
【文档编号】F21V5/04GK104317053SQ201410672094
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】罗元, 张毅, 毛建伟, 李述洲, 王兴龙 申请人:重庆邮电大学