一种功率型LED集成模组的配光方法与流程
本发明涉及LED照明领域，具体设计一种功率型LED集成模组的配光方法。
背景技术：
功率型LED照明系统产品是一种基于半导体发光原理的新型固态冷光源。从目前的发展趋势来看，功率型高亮度白光发光二极管(LED)将成为无汞、节能的绿色光源。相比于其它光源，半导体照明具有节能、高效、长寿命、无汞环保等优点，可以节省大量的能源消耗，减少温室气体的排放，降低环境污染。可以预期，半导体照明材料和器件将凭借其高效、节能、环保、使用寿命长、易维护等独特优势，必将成为新一代绿色照明光源，是未来在能源和环保领域真正实现可持续发展的关键性技术、产品和工业体系。随着功率型LED性能得到持续提高，全球LED路灯市场呈现逐年增长趋势。一般来说LED路灯由多颗LED光源组成,同时LED光源又具有很强的定向性,但其投射距离有限，使得照度均匀性有限。一些厂家生产的灯具用特殊的光学透镜进行二次配光,虽然大大提高了照度均匀性,但也存在一些缺陷,如光束全部投射到了车行道而没有考虑灯后面的人行道,从而造成灯后的区域基本无照度,灯具的环境比值很差。
有些厂家生产的LED路灯产品只是将LED安装于传统灯具的反射器上,希望借助于反射器将LED光源发出的光发射到路面上,但实际应用效果不好,照度均匀性很差，这类灯具产品在设计上未充分考虑LED的光学特性,只是想通过对传统路灯灯具的利用以减少研发经费，这类产品通常不具有好的照度均匀性。
因此，在功率LED集成模组配光应用上需要采取更好的方式来改变二次光学设计，研究如何使光线到达路面分布，符合道路照明照度、均匀度要求，是一个研究热点。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功率型LED集成模组的配光方法。以解决现有LED光源配光不均匀的问题，从而实现照明目标区域的照度、亮度均匀性的目标。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种功率型LED集成模组的配光方法，所述配光方法中采用的LED集成模组包括连体透镜座、透镜体、以及与所述透镜体对应的LED光源；所述透镜体为非对称曲率结构；所述配光方法采用区域分割的方法实现目标面均匀照明的目的，可将投射到路面的照明区域拉长，出射光线投射到两个区域的能量为非对称分布，即光线投射到人行道区域较弱，光线投射到机动车道区域较强；其具体步骤如下：
S1、将光源的出射光线按照角度划分成一定数量的分割区域，将目标面对应分成若干的区域；
S2、构建相邻角度范围内的投射光通量与目标照明区域接收光线的关系；
S3、依据步骤S2中所对应关系以及LED光源的投射角度，计算配光曲线在各个角度的相对分布，最后依据配光曲线斜率构造集成模组透镜曲面，并求解出透镜模组光学曲面的空间坐标位置。
所述步骤S1中为了达到目标路面均匀照明的要求，将路面区域所形成的矩形区域划分为面积相等n份，且这n个区域无交集，由目标照明区域的长度和宽度求出长宽比和总面积，进而可计算每个子区域的面积，再将每个子区域分成m份面积相同的区域。
所述步骤S1中具体实现方法如下：首先依据LED光源特性和配光要求划分网格，将LED的出射光和目标照明区域都划分为N个区域，r是目标照明区域半径，φ是光线与系统中心轴的夹角，H是目标照明区域与光源的距离高度，依据光学扩展量守恒，在不考虑材料吸收光能的情况下，光源光通量Φ2与出射光线的所有光通量Φ1也相等；发散角为φi的光线对应目标照明区域上照明半径ri的区域，φmax是光源经光学元件配光后的目标最大发散角，目标照明区域最大照明半径R，其中N的大小决定结果的精确程度；光线的光源出射角φi与其经配光后光线覆盖的目标照明区域半径ri的关系；
ri(φ)＝[R/sinφmax]sinφi (1)
为了达到目标照明区域照度及亮度分布的要求，将路面区域所形成的矩形区域划分为面积相等n份，且这n个区域无交集；
将每个子区域分成m份面积相同的区域，几何关系为：
而任一小区域为梯形，左上侧的小区域面积为Sleft＝0.5[Δxi(n)+Δxi(n-1)]·[y(n)-y(n-1)]，假设任意的i，Δxi(n)相等，Δxi(n-1)也相等，右下侧面积为Srigh＝0.5[Δyi(n)+Δyi(n-1)]·[x(n)-x(n-1)]，对于任意的i，Δyi(n)相等，Δyi(n-1)也相等，由于Sleft＝Sright，因此Δy＝αΔx。
所述步骤S2中具体实现方法如下：光线经过透镜模组的光学曲面折射之后，对系统的光通量分布重新分配，考虑到LED光线空间分布的特点，采用球坐标系描述三维分布，假设透镜模组光学曲面上某一点的入射光线矢量为出射光线矢量为透镜材料的折射率为n，基于透镜模组的出光路径，假设目标照明区域的网格与光线对应点的方向矢量为,则LED光源出射光线、透镜模组光学曲面的出射光线、目标照明区域上接受光线之间的关系式为
其中入射光与几何中心垂轴的夹角φ，光线经过光学曲面上的点P(x,y)时发生折射，并沿着与垂轴夹角δ方向出射，分布至目标面上S(r,h)点处，P点的法向矢量与垂轴夹角η。LED出射光经过光学曲面后均匀发散至目标照明半径为R的区域上，目标照明面距离光源H；
其中φ与r的几何关系为：r(φ)＝[H·Tan(δmax)/sinφmax]·sinφ (3)
其中δmax与φmax分别为系统最大发散角和光源出射光与垂轴的最大夹角，δi角度变量的表达式为
其中依据光线空间折射关系，该点x,y,z轴的法向矢量的表达式为，即则光线投射三维方向的法向量(Nx,Ny,Nz)、入射光线、出射光线之间的内在联系关系如下：
所述步骤S3在上述权4的基础上进一步采用下述内容实现：同时该点x,y,z轴的空间位置矢量为[x(i,j),y(i,j),z(i,j)]，其中i和j分别为两个不同轴方向。经过该点的切平面可以表示为：
Nx(i,j)(x-x(i,j))+Ny(i,j)(y-y(i,j))+Nz(i,j)(z-z(i,j))＝0 (6)
式中Nx(i,j)，Ny(i,j)和Nz(i,j)分别为该点法向矢量沿x,y,z轴方向的分量。而(x,y,z)则表示该切平面内的任意一点。将入射光线以球坐标系下表示：
其中为光线与z轴的夹角，θ为光线在xoy面的投影与x轴的夹角。联立(6)和(7)可得
基于以上表达式，以目标照明区域的照度、亮度为目标函数，利用遗传算法强大的计算迭代能力，可自动求解出透镜模组光学曲面的空间位置坐标。
所述透镜本体基面上设有卡槽。
所述透镜为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。
所述透镜体在透镜座上的排列结构为矩阵式排列、叉排式排列或多边混合排列。
本发明采用以上技术方案，采用区域分割的方法实现目标面均匀照明的目标，可将投射到路面的照明区域拉长，出射光线投射到两个区域的能量为非对称分布，即光线投射到人行道区域较弱，光线投射到机动车道区域较强。其具体步骤如下：将光源的出射光线按照角度划分成一定数量的分割区域，将目标面对应分成若干的区域，这些目标区域的面积大小、比例取决于所分割区域投射光通量的比例。经过上述分割之后，就可以构建相邻角度范围内的投射光通量与目标区域之间的联系方程。依据所对应关系以及LED光源的投射角度，计算配光曲线在各个角度的相对分布，最后依据配光曲线斜率构造集成模组透镜曲面。采用本发明提供的技术方案后光线投射到人行道区域较弱，光线投射到机动车道区域较强，使光线到达路面分布，符合道路照明照度、均匀度的要求。
附图说明
图1是本发明一种LED集成模块配光方式构造方法实施的流程图；
图2是本发明中LED光源与目标照明区域的拓扑示意图；
图3是本发明中目标照明区域的网格区域划分示意图；
图4是本发明中透镜模组光学曲面的配光示意图；
图5是本发明中透镜模组光学曲面的坐标示意图；
图6是本发明中所采用遗传算法的流程图；
图7是本发明中透镜模组的极坐标配光曲线；
图8是本发明中LED透镜模组投射在目标照明区域的等光强分布图；
图9是本发明中LED透镜模组的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供一种功率型LED集成模组的配光方法，所述配光方法中采用的LED集成模组包括连体透镜座、透镜体、以及与所述透镜体对应的LED光源；所述透镜体为非对称曲率结构；所述配光方法采用区域分割的方法实现目标面均匀照明的目的，可将投射到路面的照明区域拉长，出射光线投射到两个区域的能量为非对称分布，即光线投射到人行道区域较弱，光线投射到机动车道区域较强；其具体步骤如下：
S1、将光源的出射光线按照角度划分成一定数量的分割区域，将目标面对应分成若干的区域；
S2、构建相邻角度范围内的投射光通量与目标照明区域接收光线的关系；
S3、依据步骤S2中所对应关系以及LED光源的投射角度，计算配光曲线在各个角度的相对分布，最后依据配光曲线斜率构造集成模组透镜曲面，并求解出透镜模组光学曲面的空间坐标位置。
如图1所示建立系统的理论模型，包括用划分网格的方式定义LED光源与目标照明区域的映射关系、划分网格、分析光线在透镜模组光学曲面的透射、折射之间存在的内在联系规律，并建立关于LED集成模组光学曲面的三维空间位置变量的方程组。以目标照明区域的照度及亮度分布特性为目标函数，基于遗传算法，自动迭代求解方程组，得到透镜模组的法向量及曲面空间坐标位置点，通过光学软件仿真配光效果，当配光效果达不到预期目标范围内，调节自定义变量，改变方程，重新建立模型。
本实施例中，所述步骤S1中为了达到目标路面均匀照明的要求，将路面区域所形成的矩形区域划分为面积相等n份，且这n个区域无交集，由目标照明区域的长度和宽度求出长宽比和总面积，进而可计算每个子区域的面积，再将每个子区域分成m份面积相同的区域。
所述步骤S1中具体实现方法如下：首先依据LED光源特性和配光要求划分网格，如图2所示，将LED的出射光和目标照明区域都划分为N个区域，r是目标照明区域半径，φ是光线与系统中心轴的夹角，H是目标照明区域与光源的距离高度，依据光学扩展量守恒，在不考虑材料吸收光能的情况下，光源光通量Φ2与出射光线的所有光通量Φ1也相等；发散角为φi的光线对应目标照明区域上照明半径ri的区域，φmax是光源经光学元件配光后的目标最大发散角，目标照明区域最大照明半径R，其中N的大小决定结果的精确程度；光线的光源出射角φi与其经配光后光线覆盖的目标照明区域半径ri的关系；
ri(φ)＝[R/sinφmax]sinφi (1)
为了达到目标照明区域照度及亮度分布的要求，将路面区域所形成的矩形区域划分为面积相等n份，且这n个区域无交集；如图3中的S1，S2，S3.由路面的长度L＝y(n)和宽度W＝x(n)求出长宽比α＝L/W及路面的总面积S＝L*W,则每个区域的面积为S1＝S2＝S3＝S/n；S1＝S/n，S2＝x(2)y(2)-S1,以此类推，Si＝x(i)y(i)-x(i-1)y(i-1)，再由上面的条件便可求出x(i)，y(i)。
将每个子区域分成m份面积相同的区域，由图3中的几何关系可知：
而任一小区域为梯形，左上侧的小区域面积为Sleft＝0.5[Δxi(n)+Δxi(n-1)]·[y(n)-y(n-1)]，假设任意的i，Δxi(n)相等，Δxi(n-1)也相等，右下侧面积为Srigh＝0.5[Δyi(n)+Δyi(n-1)]·[x(n)-x(n-1)]，对于任意的i，Δyi(n)相等，Δyi(n-1)也相等，由于Sleft＝Sright，因此Δy＝αΔx。
所述步骤S2中具体实现方法如下：光线经过透镜模组的光学曲面折射之后，对系统的光通量分布重新分配，如图4和图5所示，考虑到LED光线空间分布的特点，采用球坐标系描述三维分布，假设透镜模组光学曲面上某一点的入射光线矢量为出射光线矢量为透镜材料的折射率为n，基于透镜模组的出光路径，假设目标照明区域的网格与光线对应点的方向矢量为,则LED光源出射光线、透镜模组光学曲面的出射光线、目标照明区域上接受光线之间的关系式为
本实施例中，配光精度为整数值，本实施例中按配光精度来划分照明区域网格、均分光源光线，网格数等于光线均分数，因此在以网格为单位对照明区域的光照进行计算时，可使用公式进行。
在中，由于所对应的网格为S1，所以此公式可进一步延伸表述为，折射后的光线对应网格S1，其接收光线矢量，为原光线路径网格S当前光矢量，减去光线均分量所得。由于是基于网格细微至光线在各网格上投射互不干扰的模型所推导，所以此公式精度随划分网格数，即配光精度上升而上升。
其中入射光与几何中心垂轴的夹角φ，光线经过光学曲面上的点P(x,y)时发生折射，并沿着与垂轴夹角δ方向出射，分布至目标面上S(r,h)点处，P点的法向矢量与垂轴夹角η。LED出射光经过光学曲面后均匀发散至目标照明半径为R的区域上，目标照明面距离光源H；
其中φ与r的几何关系为：r(φ)＝[H·Tan(δmax)/sinφmax]·sinφ (3)
其中δmax与φmax分别为系统最大发散角和光源出射光与垂轴的最大夹角，δi角度变量的表达式为
其中依据光线空间折射关系，该点x,y,z轴的法向矢量的表达式为，即则光线投射三维方向的法向量(Nx,Ny,Nz)、入射光线、出射光线之间的内在联系关系如下：
所述步骤S3在上述权4的基础上进一步采用下述内容实现：同时该点x,y,z轴的空间位置矢量为[x(i,j),y(i,j),z(i,j)]，其中i和j分别为两个不同轴方向。经过该点的切平面可以表示为：
Nx(i,j)(x-x(i,j))+Ny(i,j)(y-y(i,j))+Nz(i,j)(z-z(i,j))＝0 (6)
式中Nx(i,j)，Ny(i,j)和Nz(i,j)分别为该点法向矢量沿x,y,z轴方向的分量。而(x,y,z)则表示该切平面内的任意一点。将入射光线以球坐标系下表示：
其中为光线与z轴的夹角，θ为光线在xoy面的投影与x轴的夹角。联立(6)和(7)可得
基于以上表达式，以目标照明区域的照度、亮度为目标函数，利用遗传算法强大的计算迭代能力，可自动求解出透镜模组光学曲面的空间位置坐标。
以照明区域网格数对光源光线进行均分，按配光需求所要的各区域光照度，设定每网格应接收的光线份数，由此以计算机对透镜出光面点与照明网格间的关系进行穷举，生成遗传算法的种群成员。
以照明区域网格数对光源光线进行均分，按配光需求的光照度分布，以非线性的阶梯形曲线对其进行描述，以步骤四所得到光线能量守恒公式把均分后的光线按此阶梯形曲线进行分配，均分后的光线为基础照度，每区域的照度均为基础照度的1整数倍以上，高亮度区域、照明区域边缘的优先分配，在均分光线全部分配完后，仍未分配到光线的区域照度设为零。
按光线的网格分配，更改透镜出光面点与照明网格间的对应关系，由于本实施例的光线不均匀配光仅在路面垂直方向，即x坐标轴方向上，因此在更改透镜出光面点的对应关系时，也只需在该坐标轴方向上进行。
在此分配对应下，从不对称配光方向看，透镜出光面的横截面为一多边形，但本实施例中，最终是按各出光面点进行曲线拟合的，因此按曲面的光学折射特性，在照明区域上不会有照度为零的网格。
由于光线网格分配中，一个受光面可对应多个出光点，因此在满足上述光线分配的前提下，一个坐标轴上的各点与照明网格间有多个对应关系可选，本实施例中，通过计算机对此进行穷举得出对应关系的部分解，这些解表现为不同的数据集，数据集起点为坐标轴上的起始运算点与网格对应的关系，集内数据为坐标轴上其它各点与网格的对应关系，本步骤中以矩阵方式记录这些数据集，做为遗传算法的种群成员，用于遗传算法的迭代。
所采用的遗传算法如图6所示。现说明如下：按透镜设计的垂直方向尺寸和照明面网格设定常量，把常量代入对应方程，经循环计算和迭代，求得出光面点的直角坐标值。本实施例以计算机进行遗传算法的迭代计算。
取坐标原点做为起始计算点，取步骤S3所得矩阵中的相应数据集做为本次迭代计算的点面对应关系，设定x、y均为0，透镜出光面点P的垂轴坐标z即为公式(4)中的yi，按透镜设计尺寸和矩阵该行所载对应照明面网格，预设常量有垂轴坐标yi、光线均分量光源高度H、配光后照明半径r，透镜出光面最大垂轴坐标Ymax，透镜出光面最小垂轴坐标Ymin，把yi、H代入公式(4)，得出折射角δi，由折射角δi、折射率可以换算得光矢量在x、y、z轴上的投影，将此投影值代入公式(5)，可以计算得出Nx(i,j)、Ny(i,j)、Nz(i,j)，将Nx(i,j)、Ny(i,j)、Nz(i,j)和步骤S2所得步骤三所得θ代入公式(8)，可以得到相邻光线与起始计算点切平面的交点Q，由于P与Q相邻，在一定误差范围内，可以认为是曲面上连续点分布，所计算的交点就是透镜模组的空间坐标点位置，如此方法，得到曲面上两个相邻的坐标点，为起始计算点[x(i,j),y(i,j),z(i,j)]和相邻光线曲面交点[x(i+1,j),y(i+1,j),z(i+1,j)]。
开始第二次循环计算，把Q点做为起始点计算点，取出Q点对应的照明网格，计算出其照明半径，把坐标[x(i+1,j),y(i+1,j),z(i+1,j)]代入公式(8)，垂轴坐标yi＝z(i+1,y)，照明半径改为与Q对应的值，光线均分量光源高度H、配光后最大照明半径不变，按上述公式重新计算，再得出下一道相邻光线与其Q点切平面的交点坐标，由于照明区域划分网格数量等于配光配度，因此以配光精度数为循环计算的次数，若在循环中所得到的z轴坐标超出透镜出光面最大垂轴坐标Ymax和透镜出光面最小垂轴坐标Ymin范围则停止循环计算，当停止计算时，如所得点坐标数量小于照明网格数量则判定起始计算点的参量错误，按步骤S2重新设置起始计算点的矩阵，重新开始循环计算，当循环完成时，所得点坐标数量应与x轴方向上的网格数量相等。
在x轴上取下一点，重复循环计算，再次得到以该点为起点，Y轴为切面的透镜出光面各点坐标。X轴的计算点，等同于在该轴方向的网格数。
把得到的各透镜出光面点坐标代入曲线拟合软件，得出透镜的出光面曲线，将此曲线代入光学模拟软件进行配光模拟，得出图7中的配光曲线分布。
本发明采用的LED透镜模组光学曲面X轴为长轴，Y轴为短轴，沿短轴方向看，透镜为左右对称，可将投射到路面的照明区域拉长，使得沿道路方向照度均匀，具体可见图7中C0-C180配光曲线分布，沿长轴方向透镜为不对称，以短轴的中垂线为界，把光线分为2个区域，出射光线投射到两个区域的能量为非对称分布，即光线投射到人行道区域较弱，光线投射到机动车道区域较强，具体可见图7中C90-C270配光曲线分布。
本发明所述LED集成模组的配光透镜，包括LED光源和配光透镜，所述配光透镜采用上述的配光曲面，其投射到目标路面的照明区域为非对称分布，是光线分布明显往机动车道方向偏移，使机动车道路上较亮，人行道上较暗，符合道路照明规范和实际使用情况。
图8为本发明中LED透镜模组投射在目标照明区域的等光强分布图。图9为本发明中LED配光透镜做成集成模组形式的结构示意图，所述透镜模组由多颗配光透镜1在透镜座2上阵列成一个整体，每颗配光透镜1对应一个LED光源，所述透镜本体基面上设有将LED光源固定于路灯基座的卡口。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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