一種led平面光源結構的設計方法
2023-10-11 13:03:14 1
專利名稱：一種led平面光源結構的設計方法
技術領域：
本發明涉及半導體照明裝置的設計方法，具體的說是一種LED平面光源的 設計方法。
背景技術：
隨著LED製造技術的不斷進步，其光效不斷攀升，截止目前大功率白光LED 的光效已達到1001m/w，穩定的產品光效也有901m/w以上。這一光效使得LED 的應用越來越廣泛，包括已經在廣泛使用的背光源領域和即將大規模應用的普 通照明領域，其中背光源領域和普通照明領域的吸頂燈可以泛稱之為平面光源。
LED光源雖然使用壽命長、能耗低，但是LED是點光源，只向半空間發出光 線，結果導致兩方面的不利影響 一是光源發出的光線直接照到地面照度分布 不均勻，中間亮四周暗，呈太陽效應；二是光源有強烈眩光，視覺舒適性很差。 所以就需要在製作LED光源的過程中增加二次光學設計甚至多次光學設計步驟 以提高LED光源的照度均勻性、亮度均勻性以及消除眩光，提高視覺舒適性， 使之適用於平面光源的應用，這種方法不僅繁瑣，而且還提高了光源的製作成 本，但最後的照明效果卻仍不理想。
發明內容
本發明所用解決的問題就是針對現有LED平面光源在設計方法上的缺點， 提供一種LED平面光源結構的設計方法，能有效提高光源的利用率、光源亮度 的均勻性。
為了解決上述問題，本發明採用如下技術方案 一種LED平面光源結構的
設計方法，其特徵在於包括如下步驟光源設計步驟，建立光源能量分布與目標受照面能量分布間的關係方程式; 光線設計步驟，建立光源每個角度上的光線與受照面上每一點的光線間的 關係方程式；
透光體自由曲面的實體模型設計步驟，將兩個關係方程式進行計算，並將
計算結果結合逆向工程建模得到透光體自由曲面的實體模型；
導光板設計步驟，將上述透光體自由曲面的實體模型通過多種排列方式組 合為一體結構的導光板。
進一步的，所述的源能量分布與目標受照面能量分布間的關係方程式為
— (A tan p 3 )2
Y 0 — ￡ o g"^"j
o *
所述的光源每個角度上的光線與受照面上每一點的光線間的關係方程式為
(sin仍-sin %) /(cos ^ - V"2-*、) = —W、其中^是光源的光線的角度，
^是入射到受照面x位置的光線角度，^與光源^角度的光線相對應，/。是光 源上中心光強，^是受照面上的照度，K為自由曲面法向矢量的x方向分量，"
為介質折射率。
進一步的，所述透光體的自由曲面為二維旋轉對稱自由曲面。
進一步的，在透光體自由曲面的實體模型設計步驟中，將透光體自由曲面 的實體模型的外形製作成方形或六邊形。
進一步的，在導光板設計步驟中，將所述的透光體自由曲面的實體模型按 照經緯方向縱橫排列的方法組合成一體結構的導光板。
進一步的，在導光板設計步驟中，將所述的透光體自由曲面的實體模型按 照蜂窩式交錯排列的方法組合成一體結構的導光板。
作為優選的，在導光板設計步驟中，對導光板的出光面進行磨砂工藝處理，經過磨砂的出光面可以起到柔和光線的作用。
進一步的，所述的透光體自由曲面的實體模型採用光學樹脂或工程塑料注 塑製成。
經過上述步驟製作出來LED平面光源結構，光能量利用率高，有效降低眩 光效果，平面光源的亮度均勻性及照射目標面的照度均勻性提高；導光板由單 個透光體排列組成，排列方式多變，因此可根據實際需要擴展出多種類型的平 面光源結構，不僅美觀實用，而且節能。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明 圖1為光源照射在本發明透光體後的光路圖； 圖2為本發明實施例一的導光板結構示意圖； 圖3為本發明實施例二的導光板結構示意圖； 圖4為本發明實施例三的導光板結構示意圖； 圖5為本發明實施例四的導光板結構示意具體實施例方式
實施例一
一種LED平面光源結構的設計方法，具體步驟如下 如圖1所示，根據能量守恆定律和光通量守恆定律建立光源能量分布與目標受
照面能量分布間的關係方程式，該光源採用朗伯體發光的LED發光二極體，即 /一) = / eos(p)，其中i為中心光強，入射到透光體1的自由曲面11的一條光
線為矢量^(^，^，A)，經自由曲面ll的折射，光線進入光學樹脂或工程塑 料製成的介質內，此時光線為矢量^2(/ 2，^，^2)，在透光體出光面12上的光 線由出光面12進入空氣層，此時光線為』3 (戶3 ， & ， & )。其中A是光源的光線的角度，^是入射到受照面^位置的光線角度，^與光源^角度的光線相對應， ^是光源上中心光強，^是受照面上的照度，^為自由曲面法向矢量的^方向 分量，"為介質折射率。
光源設計步驟根據能量守恆定律，光源發出的所有光能量等於照射到目 標面上的能量即有JI,^，")^ = LU"，力^ ，但由於考慮的是二維旋 轉對稱的單自由曲面情形，所以可以選取0:G時的微分"0進行研究。具體表 達式由使用的LED光源的配光曲線及受照面的照度分布而定。其中LED光源的
光強分布一般為朗伯分布，即"W-^eGs^，另希望目標受照面上是等照度分 布即^G。
因為選取e二o時的微分6^的立體角內的光能量進行研究，即只對^進行
積分，因此光源的光通量可以表示成
0 0
受照面上的光通量同理可表示成
[[五(x，y)^ = ￡0(/ tan03))2<i《=￡0(/i tan(p3))2<i(9
故綜合上述兩者光通量公式(式l)有
(/ tan p 3 )2
"=五o g"^-
J"cosp sin pc/p
0 ^
i光i線設i計步驟兩次使用折射率公式有(nA2—Al)X7Vl=，
(A3-nA2)xA^G，又已知A =(0，0，D ，且《=《=《=0所以化簡上面兩式得到 光源每個角度上的光線與受照面上每一點的光線間的關係方程式(式2): (sin仍-sin^ 3)/(cos^ — ^/"2 一 sin2 ^ ) = —!
透光體自由曲面的實體模型設計步驟通過對式1與式2的使數值法求解，
得到數值點，通過CAD軟體的逆向工程建模，把點連接成光滑曲線，並通過旋轉操作使之成為旋轉對稱的曲面，進而形成方形的實體模型。
如圖2所示，導光板設計步驟對上述透光自由曲面的實體模型按照經緯
方向縱橫排列的方法組合得到一體化的具有調光能力的導光板。
為了在出光平面有亮度更均勻，在由透光體出光面12組合而成導光板的出
光面上進行磨砂工藝處理，使之發生漫透射，這樣出光平面的光線柔和，此外
也也可加磨砂玻璃實現此種效果。 實施例二
如圖3所示實施例二的光源設計步驟與光線設計步驟與實施例一相同，不 同的是在透光體自由曲面的實體模型設計步驟中，將透光體自由曲面的實體模 型的外形製作成六邊形，在導光板設計步驟中，對六邊形的透光體自由曲面的 實體模型按照經按照蜂窩式交錯排列的方法組合得到一體化的具有調光能力的 導光板。
實施例三
如圖3所示，實施例三的光源設計步驟、光線設計步驟及透光體自由曲面 的實體模型設計步驟與實施例一相同，不同的是在導光板設計步驟中，對方形 的透光體自由曲面的實體模型按照經按照蜂窩式交錯排列的方法組合得到一體 化的具有調光能力的導光板。
實施例四
如圖4所示，實施例四的光源設計步驟、光線設計步驟及透光體自由曲面 的實體模型設計步驟與實施例二相同，不同的是在導光板設計步驟中，對六邊 形的透光體自由曲面的實體模型按照經按照經緯方向縱橫排列的方法組合得到 一體化的具有調。光能力的導光板。
本發明的透光體自由曲面的實體模型的結構不僅僅局限於上述兩種，該透模型的外形也可以為圓形、三角形或者是不規則的多邊形，導光板的結構除了 上述兩種實施例中描述的排列方式外，也還有其他多種實施方案，任何本領域 的技術人員對本發明所作的變化或修飾，皆涵蓋在本發明的專利保護範圍之內。
權利要求
1、一種LED平面光源結構的設計方法，其特徵在於包括如下步驟1)光源設計步驟，建立光源能量分布與目標受照面能量分布間的關係方程式；2)光線設計步驟，建立光源每個角度上的光線與受照面上每一點的光線間的關係方程式；3)透光體自由曲面的實體模型設計步驟，將兩個關係方程式進行計算，並將計算結果結合逆向工程建模得到透光體自由曲面的實體模型；4)導光板設計步驟，將上述透光體自由曲面的實體模型通過多種排列方式組合為一體結構的導光板。
2、 根據權利要求1所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特徵在於所 述光源設計步驟中光源能量分布與目標受照面能量分布間的關係方程式為formula see original document page 2所述光線設計步驟中光源每個角度上的光線與受照面上每一點的光線間的關係方程式為(sin " - sin仍)/(cos ^ -sin2 p3) = -乂 。
3、 根據權利要求1所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特徵在於所 述透光體的自由曲面為二維旋轉對稱自由曲面。
4、 根據權利要求1所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特徵在於在 透光體白由曲面的實體模型設計步驟中，將透光體自由曲面的實體模型的外形 設計成方形或六邊形。
5、 根據權利要求l、 2、 3或4所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特 徵在於在導光板設計步驟中，將所述的透光體自由曲面的實體模型按照經緯 方向縱橫排列的方法組合成一體結構的導光板。
6、 根據權利要求l、 2、 3或4所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特 徵在於在導光板設計步驟中，將所述的透光體自由曲面的實體模型按照蜂窩 式交錯排列的方法組合成一體結構的導光板。
7、 根據權利要求1所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特徵在於在 導光板設計步驟中，對導光板的出光面進行磨砂工藝處理。
8、 根據權利要求l、 2、 3或4所述的一種LED平面光源結構的設計方法，其特 徵在於所述的透光體自由曲面的實體模型釆用光學樹脂或工程塑料注塑製成。
全文摘要
本發明公開了一種LED平面光源結構的設計方法，包括如下步驟光源設計步驟，建立光源能量分布與目標受照面能量分布間的關係方程式；光線設計步驟，建立光源每個角度上的光線與受照面上每一點的光線間的關係方程式；透光體自由曲面的實體模型設計步驟，將兩個關係方程式進行計算，並將計算結果結合逆向工程建模得到透光體自由曲面的實體模型；導光板設計步驟，將上述的透光體自由曲面的實體模型通過多種排列方式組合為一體結構的導光板。製作出來LED平面光源結構，光能量利用率高，有效降低眩光效果，平面光源的亮度均勻性及照射目標面的照度均勻性提高，而且美觀、實用、節能。
文檔編號G06F17/50GK101561089SQ20091009850
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月12日 優先權日2009年5月12日
發明者程 江, 董學文 申請人:董學文