本发明专利技术涉及非成像光学自由曲面照明技术领域，尤其涉及一种LED照明装置及其设计方法，包括基底，固设于基底且表面涂敷荧光粉的LED芯片，固设于基底上且套盖于LED芯片上的自由曲面透镜，以及固设于基底且环绕自由曲面透镜设置的反射器；所述自由曲面透镜包括呈环状且上端开口的第一曲面透镜部，以及与第一曲面透镜部上端连接的第二曲面透镜部；所述第一曲面透镜部外凸；所述第二曲面透镜部内凹。本发明专利技术可在40～60度的角度范围内实现均匀照明的同时实现较好的颜色均匀性，可满足大多数实际的照明应用领域。照明应用领域。照明应用领域。
【技术实现步骤摘要】
一种LED照明装置及其设计方法
[0001]本专利技术涉及非成像光学自由曲面照明
，尤其涉及一种LED照明装置及其设计方法。
技术介绍
[0002]随着半导体LED照明技术的发展，LED光源已广泛用于各种照明领域。目前实现白光LED主要有两种方法：一种是利用红、绿、蓝三种颜色的LED光源通过混光后形成白色LED光源；另一种是利用蓝色LED光源激发YAG荧光粉，部分蓝色光能被YAG荧光粉吸收后通过光致发光效应产生黄色光，未被吸收的蓝色光和受激产生的黄色光混合后形成白光。第二种方法由于实现简单，价格低廉，因此被广泛应用在日常照明领域。
[0003]对于蓝光LED+YAG荧光粉形成的白色LED光源，由于蓝光LED芯片发出的光强分布呈朗伯分布，因此对于此种类型的白光LED光源存在着色度空间分布不均匀的现象，即中心部分蓝光较多，色温较高，边缘部分黄光较多，色温较低。为改善蓝光LED+YAG荧光粉形成的白光LED的颜色空间分布，通常是通过对YAG荧光粉层的厚度进行精确设计，以实现良好的颜色空间分布，此种方法需要较好的加工工艺来确保荧光粉层的加工厚度与设计的厚度一致，对生产设备的精度要求较高进而导致生产成本较高，且在实际应用时需要再次利用二次光学器件对LED的光能分布进行调整，才能在目标面上实现均匀的照度分布，满足日常照明的需求。
技术实现思路
[0004]本专利技术的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本专利技术而学习。
[0005]为克服现有技术中传统的蓝光LED+YAG荧光粉的白光LED光源中存在的颜色空间分布不均匀的缺陷，本专利技术提供一种LED照明装置，包括基底，固设于基底且表面涂敷荧光粉的LED芯片，固设于基底上且套盖于LED芯片上的自由曲面透镜，以及固设于基底且环绕自由曲面透镜设置的反射器；所述自由曲面透镜包括呈环状且上端开口的第一曲面透镜部，以及与第一曲面透镜部上端连接的第二曲面透镜部；所述第一曲面透镜部外凸；所述第二曲面透镜部内凹。
[0006]具体的，所述第一曲面透镜部与第二曲面透镜部光滑连接。
[0007]具体的，还包括涂覆于反射器反射表面的高反射率膜。
[0008]具体的，所述反射器的开口角度为40～60度；
[0009]和/或；
[0010]所述反射器为自由曲面反射器。
[0011]具体的，还包括设于所述基底的散热器。
[0012]本专利技术还提供了一种LED照明装置的设计方法，采用权利要求1-4任一项所述的LED照明装置进行照明；包括如下设计步骤：
[0013]以LED光源为坐标原点建立直角坐标系(u,v,z),其中v方向垂直于平面向外；第一曲面透镜部与第二曲面透镜部连接处所对应的光线出射角为所述反射器对应的开口角度为
[0014]设定所述LED照明装置中的LED芯片发出的光能分为两个部分，区分根据是按LED芯片发出的光线与光轴的夹角来划分，即时的情况和时的情况和的情况；
[0015]对部分的光线的配光设计为经第二曲面透镜部折射后出射，并配光在角度范围内，获取其在第二曲面透镜部处的入射光线和折射光线之间的关系；
[0016]对部分的光线的配光设计为经第一曲面透镜部折射后再经反射器反射，使出射光线配光在角度范围内，获取其在第一曲面透镜部的入射光线和折射光线之间的关系，以及其经第一曲面透镜部折射后在反射器的入射光线和反射光线之间的关系；
[0017]根据部分的光线在第二曲面透镜部处的入射光线和折射光线之间的关系、部分的光线在第一曲面透镜部的入射光线和折射光线之间的关系、部分的光线经第一曲面透镜部折射后在反射器上的入射光线和反射光线之间的关系获取自由曲面透镜和反射器各自所对应的离散数据点；
[0018]根据所述的离散数据点及曲线拟合方法构建出自由曲面透镜和反射器。
[0019]具体的，所述部分的光线在第二曲面透镜部处的入射光线和折射光线之间的关系采用如下具体过程获取：
[0020]设定LED芯片的光强分布为0～90度内的任意光强分布，通过以下数学关系式(1)将光线配光至角度范围内：
[0021][0022]其中，为LED照明装置的光强分布，为LED光源的光强分布；对于可用光度计测量后采用如下多项式拟合式(2)拟合：
[0023][0024]其中I0为沿光轴方向的强度，即度时的光强，a
i
(i＝0,1,2,3,4) 为多项式拟合系数；
[0025]将多项式拟合式(2)拟合的数据表达式代入能量守恒公式中得到非线性方程，采用数值方法求解即可。
[0026]具体的，所述部分的光线在第一曲面透镜部的入射光线和折射光线之间的关系采用如下公式(3)获取：
[0027][0028]其中，为所述部分的光线经第一曲面透镜部折射后的折射光线与光轴z的夹角；其中M为部分光线的光线数目；
[0029]所述部分的光线经第一曲面透镜部折射后在反射器的入射光线和反射光线之间的关系采用如下具体过程获取：
[0030]设定LED芯片的光强分布为0～90度内的任意光强分布，通过以下数学关系式(4)将光线配光至角度范围内：
[0031][0032]其中，ρ为所述反射器的反射面的反射率，为LED照明装置的光强分布，为LED光源的光强分布；
[0033]对于可用光度计测量后采用如下多项式拟合式(2)拟合：
[0034][0035]其中I0为沿光轴方向的强度，即度时的光强，a
i
(i＝0,1,2,3,4) 为多项式拟合系数；
[0036]将多项式拟合式(2)拟合的数据表达式代入能量守恒公式中得到非线性方程，采用数值方法求解即可。
[0037]本专利技术的有益效果：
[0038]1)本专利技术中的LED照明装置结构简单，容易实现，光学器件易于加工，此外，通过自由曲面透镜和反射器的一次封装，可同时进行混光和二次配光，避免了传统设计方法中需要分别单独的设计混光和二次配光器件，降低了系统设计的复杂度和元件的数目，更增加了整个系统的光能利用率。
[0039]2)本专利技术中的LED照明装置可同时实现色度与照度的均匀性，不仅结构简单，空间占用小，且可满足大多数的照明需求，适用范围更广。
[0040]3)本专利技术可降低荧光粉涂敷时对荧光粉厚度和形状的精度要求，降低对荧光粉涂敷的工艺要求，进而降低对涂覆设备精度的要求，大大降低了生产设备成本，并提高了LED产品的生产良率，从而大大降低了LED的生产成本。
[0041]4)本专利技术可在40～60度的角度范围内实现均匀照明的同时实现较好的颜色均匀性，可满足大多数实际的照明应用领域。
附图说明
[0042]下面通过参考附图并结合实例具体地描述本专利技术，本专利技术的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本专利技术的解释说明，而不构成对本专利技术的任何意义上的限制，在附图中：
[0043]图1为本专利技术具体实施例中一种LE本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种LED照明装置，其特征在于，包括基底，固设于基底且表面涂敷荧光粉的LED芯片，固设于基底上且套盖于LED芯片上的自由曲面透镜，以及固设于基底且环绕自由曲面透镜设置的反射器；所述自由曲面透镜包括呈环状且上端开口的第一曲面透镜部，以及与第一曲面透镜部上端连接的第二曲面透镜部；所述第一曲面透镜部外凸；所述第二曲面透镜部内凹。2.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述第一曲面透镜部与第二曲面透镜部光滑连接。3.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，还包括涂覆于反射器反射表面的高反射率膜。4.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述反射器的开口角度为40～60度；和/或；所述反射器为自由曲面反射器。5.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，还包括设于所述基底的散热器。6.一种LED照明装置的设计方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的LED照明装置进行照明；包括如下设计步骤：以LED光源为坐标原点建立直角坐标系(u,v,z),其中v方向垂直于平面向外；第一曲面透镜部与第二曲面透镜部连接处所对应的光线出射角为所述反射器对应的开口角度为设定所述LED照明装置中的LED芯片发出的光能分为两个部分，区分根据是按LED芯片发出的光线与光轴的夹角来划分，即时的情况和时的情况和的情况；对部分的光线的配光设计为经第二曲面透镜部折射后出射，并配光在角度范围内，获取其在第二曲面透镜部处的入射光线和折射光线之间的关系；对部分的光线的配光设计为经第一曲面透镜部折射后再经反射器反射，使出射光线配光在角度范围内，获取其在第一曲面透镜部的入射光线和折射光线之间的关系，以及其经第一曲面透镜部折射后在反射器的入射光线和反射光线之间的关系；根据部分的光线在第二曲面透镜部处的入射光线和折射光线之间的关系、部分的光线在第一曲面透镜部的入射光线和折射光线之间的关系、部分的光线经第一...
【专利技术属性】
技术研发人员：颜劲仁，李敏，王海蓉，
申请(专利权)人：云南开放大学，
类型：发明
国别省市：
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