專利名稱：Led光源的非成像光學定向配光透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于非成像光學配光技術領域，具體涉及一種LED光源的非成 像光學定向配光透鏡。
背景技術：
路燈、隧道燈等功能性照明燈具，要求照明范圍內每一點的照度都必須 滿足照明規(guī)范要求的最低照度指標、最高眩光要求指標、光強均勻度指標以 及光照區(qū)域限制要求，對產品的可靠性及節(jié)能、環(huán)保性能等要求也很高。為 了提高照明效果，保護人眼睛的健康，必須利用燈具進行光學系統(tǒng)照明配光， 即在一個給定的道路位置和給定的路面區(qū)域內，由燈光照射形成一個照度均 勻的光場，照射到給定區(qū)域之外的光被視為無效光。
傳統(tǒng)照明燈具的配光主要是依靠反射杯對光線進行反射分配，將光線控 制在合理的規(guī)定區(qū)域內，并提高光強的均勻度。這種通過反射進行光強分配 的方法，其主要缺點是光能損失大、耗電量大。
常見LED光源的封裝如圖l所示。其光強分布E與出光角e'的余弦成正 比，LED光源101所發(fā)出的光線在被照表面上所形成的照度E隨出射角e'的 增大而迅速衰減。LED光源101可看作是一種180度角度出光的具有朗伯 (Lambertian)特性光源，光強分布是中心強、周邊減弱，如圖2所示。如 果不對LED光源的特性進行二次光學設計，這樣的光強分布很難滿足功能照 明用途的需求，大量無效光的存在不僅使光能損失大，也大大地降低了照明 效果。以下是現(xiàn)有的LED路燈燈具最大光強處圓錐面光強分布曲線分析-
圖3為實測的240W對稱型無適當配光LED路燈的配光曲線，其顯示 有相當一部分光能泄漏到有效區(qū)域框102以外。結果表明無效光大大地降低 了照明效果。為實現(xiàn)照明要求，只能將光源出功率提高至240W，造成能源 浪費。
圖4為實測的150W蝶型配光LED路燈的配光曲線。其顯示結果表明照明的均勻度很差，沿照射面有眩光，照射區(qū)域內有盲區(qū)。
LED光源一般分為單光源和多光源二類。
現(xiàn)有多光源LED照明燈具，其配光是通過調整眾多光源的安裝角度對 光強進行直射分配，形成的照明燈具是模組型的。多光源燈具不僅重量重， 而且產生了多重影，限制了功率擴展和使用范圍，尤其對車輛和行人是嚴重 的安全隱患。
現(xiàn)有單光源LED照明燈具，其配光主要是模仿傳統(tǒng)燈具，依靠反射杯 對光線進行反射分配。由于朗伯(Lambertian)特性的存在，反光杯可以反 射的光線很少，無法從根本上改善LED光源光強分布中心強、周邊減弱的 特性。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種LED光源的非成像光學定向配光透鏡，其 解決了現(xiàn)有技術無法從根本上改善LED光源的朗伯特性，從而不能實現(xiàn)定 向配光，導致配光均勻度差、光效低的技術問題。
本發(fā)明的技術方案如下
本發(fā)明利用光線從光密物質到光疏物質的折射現(xiàn)象，來克服LED光源 的朗伯特性，即光強分布中心強、周邊減弱的特性。本發(fā)明通過定向折射非 成像配光透鏡對LED光源的能量進行重新分配，對LED光源所發(fā)出的光進 行整形、改變，以實現(xiàn)光能的充分利用和光強分布的定向控制，使LED點 光源變?yōu)橥哥R表面均勻的面光源。其實現(xiàn)步驟如下
一種LED光源的非成像光學定向配光透鏡，包括透鏡體203，該透鏡體 203具有入射面201和出射面202，其特殊之處在于所述的入射面201為 LED光線入射面，所述的入射面201排列為齒形；所述的入射面201與出射 面202的夾角e = 0 90°。
以上所述排列為齒形的入射面201 —般排列于同一基準面上，該基準面 可為平面或曲面。
以上所述的出射面202可為平面或曲面。
以上所述的入射面201亦可為平面或曲面。以上所述的透鏡體203可采用玻璃材料、PS材料、PC材料或PMMA材料等。
以上所述的入射面201、出射面202可以是具有拐點或無拐點的連續(xù)曲面。
以上所述的入射面201、出射面202也可以是斷續(xù)曲面。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點-
1. 收集光線角度大，能充分利用LED光源的光能，光效高，實現(xiàn)照明要 求所需要的功率小，因此可節(jié)能。
2. 可對LED光源的光強分布定向控制，使LED點光源變成透鏡表面均 勻的面光源，配光均勻度高，可實現(xiàn)精密光分布控制。
3. 改變了 LED光源的朗伯特性，使LED光源的光強分布隨著出射角度 增大的衰減較小，適用于各類功能性照明燈具，產品的可靠性高。
4. 可以使照明范圍內每一點的照度都完全滿足照明規(guī)范要求，即滿足最 低照度指標、最高眩光要求指標、光強均勻度指標以及光照區(qū)域限制要求等。
5. 照射區(qū)域內無盲區(qū)、無眩光，使用環(huán)保，利于人眼睛健康。
6. 結構簡單，成本低。
圖1為現(xiàn)有常見LED光源的封裝方式。
圖2為LED光源等效為180。出光角的朗伯(Lambertian)光源。 圖3為實測的現(xiàn)有240W對稱型無適當配光LED路燈的配光曲線， 其中，
(a) 為子午面配光曲線；
(b) 為最大光強處圓錐面光強分布曲線。
圖4為實測的現(xiàn)有150W蝶型配光LED路燈的配光曲線， 其中，
(a) 為子午面配光曲線；
(b) 為最大光強處圓錐面光強分布曲線。 圖5是本發(fā)明的定向折射平面光學示意圖。
5圖6是本發(fā)明配光透鏡定向散光折射示意圖。 圖7是本發(fā)明配光透鏡定向束光折射示意圖。 圖8是本發(fā)明配光透鏡定向帶狀折射示意圖。
圖9是用Pro/Engineer軟件設計的本發(fā)明定向折射配光透鏡的結構示意圖。
圖10是現(xiàn)有的對稱型無適當配光的LED路燈的LightTools軟件仿真圓 錐面光強圖。
圖ll是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡的LED路燈的LightTools軟件仿 真圓錐面光強圖。
圖12是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡的LED路燈的LightTools軟件仿
真配光曲線。
圖13是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡模擬仿真LED路燈的工程應用示 意圖。
圖14是實測的使用本發(fā)明定向折射非成像光學配光透鏡的LED路燈的 光分布圖。
圖15是實測的使用本發(fā)明定向折射非成像光學配光透鏡的LED路燈的 配光曲線， 其中，
(a) 為子午面配光曲線；
(b) 為最大光強處圓錐面光強分布曲線。
圖16是同功率、同光源、不同透鏡條件的LED路燈的對比圖， 其中，
(a) 為常見等厚透鏡LED路燈；
(b) 為定向折射透鏡LED路燈；
(c) 為常見等厚透鏡；
(d) 為定向折射透鏡。
圖17是實測150W使用本發(fā)明定向折射非成像光學配光透鏡的LED路 燈的配光曲線，其中，
(a) 為子午面配光曲線；
(b) 為最大光強處圓錐面光強分布曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明配光透鏡的定向折射原理
(1.1) 斯涅爾定律光入射到不同介質的界面上會發(fā)生反射和折射。其中 入射光和折射光位于同一個平面上，并且與界面法線的夾角滿足下列關系
斯涅爾公式 Nmsin0m=Nnsinen ，
其中Nm和Nn分別是兩個介質的折射率，9m和0n分別是入射角和折射角。
(1.2) 配光透鏡定向折射原理
如圖5所示，配光透鏡的入射介質折射率N"配光透鏡折射率N2、 LED 光線經(jīng)配光透鏡后的出射介質折射率N3; LED光線入射至配光透鏡的入射
角6i、射入配光透鏡后的折射角e2、出射至出射介質的入射角e3、經(jīng)配光透 鏡后的出射角e4;配光透鏡的入射面201與出射面202的夾角e。透鏡體203 的折射率N2-1.56;透鏡體203的入射介質、出射介質均為空氣，則入射介 質折射率=出射介質折射率N3= 1 。
當LED光源的光線從空氣入射至透鏡體203時，N2>N1;則e,〉02, 光線發(fā)生偏向法線的折射；當光線從透鏡體203射入空氣中時，N2>N3，則
e4>e3，光線發(fā)生偏離法線的折射，其偏離法線，定向折射的角度為04。
Njsin6產N2sin02 sin02-NiSin6！/ N2
e2-sin"(N,s,/ N2"sin"(N,sine/ N2) 03 = 0,-e2 = 0-02 = 0- sin-1 (N,sin0/ N2) N3sin64=N2sin03 sine4=N2sine3/ N3 64二sin"(N2sine3/ N3) 即e4 = sin"(N2sin (0- sin"(NiSine/ N2)/ N3))若 0=30°
則 e4=sin" (Hinpoo-sin-1 (sin30。/1.56) ) )= 18。
(1.3) 配光透鏡定向散光折射如圖6所示，可等效為180°出光角的朗 伯光源的LED光線穿過定向散光齒形透鏡后，光線會朝向和齒形垂直且偏 離中心的方向折射，由此可改變光場分布形狀，使折射方向光強提高，其他 方向光強減弱，還可進行均勻散射光學處理。
(1.4) 配光透鏡定向束光折射如圖7所示，可等效為180°出光角的朗 伯光源的LED光線穿過定向束光齒形透鏡后，光線會朝向和齒形垂直且向 著中心的方向折射，由此可改變光場分布形狀，使折射方向光強提高，其他 方向光強減弱，還可對照射至有效照明區(qū)域以外的光進行折射壓縮及光均勻 處理。
(1.5) 配光透鏡帶狀定向散光折射如圖8所示，可等效為180°出光角 的朗伯光源的LED光線穿過齒形定向帶狀折射透鏡后，光線會朝向和齒形 垂直帶狀方向折射，使光場分布成帶狀形狀，在帶狀方向光強提高，其他方 向光強減弱，還可進行光均勻處理。
參見圖5，本發(fā)明具體結構如下
本發(fā)明透鏡體203具有入射面201和出射面202。入射面201為LED光 線入射面，入射面201可為平面或曲面。入射面201排列為齒形；排列為齒 形的入射面201—般排列于同一基準面上，該基準面可為平面或曲面。出射 面202可為平面或曲面。入射面201與出射面202的夾角e=0 90°。入射 面201、出射面202可以是有拐點或無拐點的連續(xù)曲面，也可以是斷續(xù)曲面。
本發(fā)明透鏡體203可采用玻璃材料、PC材料或PMMA材料等。玻璃材 料具有耐高溫、穿透率高等特點。PC材料即聚碳酸酯材料，PMMA材料即聚甲 基丙烯酸甲酯材料，此兩種材料不僅穿透率較高，容易實現(xiàn)非球面聚光，減少光 斑的黃暈斑現(xiàn)象，還可以使產品注塑成型，使生產成本較低。透鏡體203也可以 采用透明PS材料，即透明聚苯乙烯材料，俗稱透苯。
用本發(fā)明定向折射非成像光學配光透鏡的模擬仿真照明燈具實例
利用本發(fā)明對不同方向的定向折射配光透鏡進行組合，對LED光源的投射光光強分布進行配光，可使光強分布滿足實際應用要求。
圖9是用Pro/Engineer軟件設計的LED燈具定向折射配光透鏡，其光強 分布完全滿足道路照明光強分布的要求。根據(jù)道路形狀對路邊、屋邊以外無 用部分光強分布進行折射壓縮，對道路沿伸方向的有用光強分布進行折射增 強，同時進行均勻散射光學處理。
而圖10是對稱型無適當配光LED路燈LightTools軟件仿真圓錐面光強 圖，其形狀為對稱圓形，中心地帶光強很強；沿徑向遠離圓心，光強以余弦 形迅速衰減。即大部分光通量照射到中心地帶，周邊光強很弱。
圖11是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡的LED路燈LightTools軟件仿真 圓錐面光強圖，其形狀近似為長方形，長方形區(qū)域內光強均勻，遠離長方形 中心向周邊的光強分布線性均勻。
圖12是使用本發(fā)明定向折射配光透鏡LED路燈LightTools軟件仿真配 光曲線。
在實線所示的長邊C。面，其光強40%時的出光角為 C0=(225+22.5) - (135-22.5)= 135。；
在虛線所示的短邊C9o面，其光強40%時的出光角為 C90=225-135 = 90o。
圖13是用本發(fā)明定向折射配光透鏡模擬仿真LED路燈的工程應用
40%光強Co方向(矩形長邊)長度
L = 2Hx tan(Go/2) = 2Hxtan( 13 5。/2) = 4.42H;
40%光強C9o方向(矩形短邊)長度
W=2Hxtan(C卯/2)=2Hxtan(900/2)=2H 。
艮P:當滿足定向折射配光透鏡LED路燈LightTools軟件仿真配光曲線時， 路燈投射到路面的光強分布為近似矩形，矩形的長Co與寬C卯之比例為 2.41。
由圖14所示的光強分布圖以及圖15所示的配光曲線可見實測結果與 模擬仿真數(shù)據(jù)基本一致。其Co面40%光強光束角為133°,其C9o面40M光 強光束角為90。，實現(xiàn)了對路燈光強分布的精密控制。
9當路燈桿高度為10m時，40%光強路面分布矩形長邊L(Q))及短邊(C90)W為
L = 2Hxtan(CV2) = 2Hxtan( 13 3 。/2) = 46(m)W = 2Hxtan(G9()/2)=2Hxtan(卯0/2)=20(m)實例效果結論
如圖16所示，通過定向折射非成像配光透鏡對光的能量進行重新分配，
對LED光源所發(fā)出的光進行整形和改變，從而實現(xiàn)了光源能量的利用和光強分布的定向控制。定向折射非成像光學配光透鏡，把LED光源的光線定向成折射到了透鏡表面，使LED點光源改變成為透鏡表面均勻的面光源，提高了光強分布均勻度；改變了 LED光源的朗伯特性，使LED路燈光強的分布隨著出射角度增大的衰減較??；其結構簡單、收集光線角度大、光能量利用率高。
分析圖17所示的實測150W定向折射非成像光學配光透鏡LED路燈配光曲線，結果是照明均勻度好，沿路面沒有眩光，照明效率高，實現(xiàn)照明要求所需要的功率小。
權利要求
1.一種LED光源的非成像光學定向配光透鏡，包括透鏡體(203)，該透鏡體(203)具有入射面(201)和出射面(202)，其特征在于所述的入射面(201)為LED光線入射面，所述的入射面(201)排列為齒形；所述的入射面(201)與出射面(202)的夾角θ＝0～90°。
2. 根據(jù)權利要求1所述的LED光源的非成像光學定向配光透鏡，其 特征在于所述排列為齒形的入射面(201)排列于同一基準面上，該基準 面為平面或曲面。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的LED光源的非成像光學定向配光透 鏡，其特征在于所述的出射面(202)為平面或曲面。
4. 根據(jù)權利要求3所述的LED光源的非成像光學定向配光透鏡，其 特征在于所述的入射面(201)為平面或曲面。
5. 根據(jù)權利要求4所述的LED光源的非成像光學定向配光透鏡，其 特征在于所述的透鏡體(203)為玻璃材料、PS材料、PC材料或PMMA 材料。
6. 根據(jù)權利要求5所述的LED光源的非成像光學定向配光透鏡，其 特征在于所述的入射面(201)、出射面(202)為具有拐點或無拐點的連續(xù) 曲面。
7. 根據(jù)權利要求5所述的LED光源的非成像光學定向配光透鏡，其 特征在于所述的入射面(201)、出射面(202)為斷續(xù)曲面。
全文摘要
一種LED光源的非成像光學定向配光透鏡，包括透鏡體，該透鏡體具有入射面和出射面，入射面為LED光線入射面，入射面排列為齒形；入射面與出射面的夾角θ＝0～90°。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術無法從根本上改善LED光源的朗伯特性，從而不能實現(xiàn)定向配光，導致配光均勻度差、光效低的技術問題?？蓪ED光源光強的分布定向控制，實現(xiàn)精密光分布，可靠性高，節(jié)能、環(huán)保。
文檔編號F21V5/04GK101684918SQ200910022670
公開日2010年3月31日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權日2009年5月22日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請人:西安智海電力科技有限公司