專利名稱：一種led路燈二次光學透鏡及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種LED路燈二次光學透鏡及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著節(jié)能減排，綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢，LED (Light Emitting Diodes,發(fā)光二極管) 以其節(jié)能環(huán)保、發(fā)光效率高、壽命長、顯色指數(shù)高等優(yōu)點，得到越來越廣泛的應(yīng)用，LED作為 一種新型的固體光源，在城市道路照明光源方面大有取代傳統(tǒng)路燈光源(高壓鈉燈、高壓 汞燈及金鹵燈等)的趨勢。然而，LED路燈的發(fā)光是由單一的LED光源(完成一次封裝的LED芯片)組合而 成，由于一般應(yīng)用于路燈的LED光源屬于朗伯光源，發(fā)光方向性強，在距離路面一定高度且 垂直于路面發(fā)光時，只能在路面上形成一個較小的圓形光斑，亮度由圓心向外急劇降低，光 照均勻性低，因此需要加以二次光學設(shè)計，使其在路面上形成一個接近矩形的較大的均勻 光斑，因為只有矩形光斑才能在路面上實現(xiàn)無縫連接，均勻照滿整條道路，達到最佳照明效^ o選用透鏡進行二次光學設(shè)計是最直接有效的方法，但是現(xiàn)有技術(shù)往往只進行透鏡 的外表面設(shè)計，而忽視了透鏡基面中央用于放置LED光源的凹面(內(nèi)表面)的設(shè)計。只針對 外表面的透鏡設(shè)計限制了透鏡對LED發(fā)出光方向和光斑形狀的改善，不能很好地控制出射 光線的分布，從而使得照射到路面上形成的光斑形狀不接近理想的矩形，而且均勻性不佳?，F(xiàn)有技術(shù)的第二個不足是沒有考慮到實際道路應(yīng)用時路燈安裝在道路一側(cè)的邊 緣，而非道路中央，采用對稱設(shè)計的現(xiàn)有技術(shù)便不能在這種場合發(fā)揮作用，因為現(xiàn)有技術(shù)在 路面形成的光斑是相對路燈安裝位置前后、左右分別對稱的，而路燈處于道路邊緣，這樣必 然會有很大一部分光照射在路面之外，造成光能的浪費，降低了光效。而僅僅通過路燈頭傾 斜放置不但不能完善的解決這個問題，還造成路面光斑形狀的變形，由矩形改變成了梯形， 使得照明均勻度下降。因此，有必要提供一種改良的LED路燈二次光學透鏡及其基于內(nèi)表面設(shè)計的透鏡 構(gòu)造設(shè)計方法，以便克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，并且提供一種照明效果很好的，能 夠支持多數(shù)路燈安裝方式的一種LED路燈二次光學透鏡及其基于內(nèi)表面設(shè)計的透鏡構(gòu)造 設(shè)計方法。一種LED路燈二次光學透鏡，其特征在于具有一外表面，一基面和一內(nèi)表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構(gòu)造；所述外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成；所述基面為一平面，基面與所述外表面相交，形成基面的邊界線；
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所述內(nèi)表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道 路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同的特殊曲面內(nèi)凹形成；所述內(nèi)表面相對于一條垂直于所述基面且通過基面中心的法線前后、左右分別對 稱；所述外表面存在一個通過所述外表面的兩個局部橢球面的橢球中心連線的對稱 面，該對稱面與基面的夾角為60° 90°。所述的一種LED路燈二次光學透鏡設(shè)計方法分為以下幾個步驟第一步、根據(jù)LED朗伯光源的發(fā)光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初 始條件，依據(jù)折射定律和能量守恒定律，先假定LED光源為點光源，所述透鏡內(nèi)表面為半球 形內(nèi)凹，光源位于內(nèi)表面球心處，然后利用能量守恒原理和折射定律可以簡單的計算出所 述二次光學透鏡的外表面為典型的類似雙球型的高次自由曲面，由于考慮到高次自由曲面 的工程實現(xiàn)難度，將其簡化為所述的外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成。第二步、因為在上述計算外表面形狀時用到了點光源等近似方法，而實際LED光 源為體光源，所以需要對計算得出的所述透鏡的整體構(gòu)造進行一些修改，特別是透鏡內(nèi)表 面的形狀，方案是確定所述外表面形狀不變，通過修改所述內(nèi)表面形狀使透鏡能達到出光 均勻分布的要求以及調(diào)控光斑大小、形狀。具體方法為(見圖9軟件流程圖)(1)、始終確定透鏡的外表面形狀為由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成，這 是本發(fā)明進行內(nèi)表面修改的基礎(chǔ)，因為這種形狀的外表面基本保證了路面上能形成近矩形 的光斑，剩下的優(yōu)化工作是通過修改內(nèi)表面形狀改善均勻度以及根據(jù)實際要求調(diào)控光斑大 小和形狀；(2)、根據(jù)道路照明的實際要求，例如對照明區(qū)域面積大小的要求等，確定大致的 內(nèi)表面沿道路方向和垂直于道路方向兩個方向上的截面輪廓線的曲率半徑值的范圍；(3)、在上述范圍內(nèi)選定任意兩個值，利用市場上已有的建模軟件建立內(nèi)表面3D 模型；(4)、將上述模型導入到市場上已有的光學設(shè)計軟件中，并與已確定的外表面模型 組合成為透鏡模型進行光線追跡，并分析測試得到的結(jié)果；(5)、根據(jù)上述測試結(jié)果，修改選定的曲率半徑值，根據(jù)修改后的值再次建立內(nèi)表 面3D模型，然后重復循環(huán)(4)、(5)步，直至修改得到的內(nèi)表面組成的透鏡的模擬結(jié)果滿足 上述實際要求。由于上述一次循環(huán)可在短時間內(nèi)完成，所以能在不花費很多時間的條件下， 重復進行大量的循環(huán)模擬過程，從而得到合適的透鏡內(nèi)表面形狀。對于不同的道路照明實際要求，內(nèi)表面的形狀也相應(yīng)的不同。一般而言，所述內(nèi)表 面是由非半球形的，在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不 相同的特殊曲面內(nèi)凹形成，不同方向上曲率半徑的不同導致各方向上出射光分布的不同， 從而在路面上形成的光斑大小也不同。第三步、將所述內(nèi)、外表面和基面簡單組合在一起，三者共同界定出所述透鏡的整 體構(gòu)造。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用上述LED路燈二次光學透鏡，通過選用不同的特殊設(shè)計 的內(nèi)表面，調(diào)控在路面上形成的光斑大小、形狀，滿足不同道路照明區(qū)域的實際需求，在路
4面上照射形成亮度較為均勻的矩形光斑，覆蓋所有照明要求的區(qū)域，并能有效減少照明要 求區(qū)域之外的無用光分布，提高光能利用率，節(jié)約能源；而且，采用獨特的可調(diào)非對稱設(shè)計， 使得在不同的道路路燈安裝條件下，都可以滿足上述優(yōu)點。通過所述的基于內(nèi)表面設(shè)計的 透鏡構(gòu)造設(shè)計方法得到的LED 二次光學透鏡不但可以滿足道路照明標準，還可以通過修改 所述內(nèi)表面形狀，調(diào)控在路面上形成的光斑大小、形狀，滿足不同道路照明區(qū)域的實際需 求。


圖1是本發(fā)明一種LED路燈二次光學透鏡第一個實施例從頂部觀察的立體圖；圖2是圖1所示一種LED路燈二次光學透鏡第一個實施例從底部觀察的立體圖；圖3是圖1所示一種LED路燈二次光學透鏡第一個實施例的俯視圖；圖4是圖3所示A-A面剖視圖；圖5是圖3所示B-B面剖視圖；圖6是本發(fā)明一種LED路燈二次光學透鏡第二個實施例從頂部觀察的立體圖；圖7是本發(fā)明一種LED路燈二次光學透鏡第三個實施例的側(cè)視圖；圖8是本發(fā)明一種LED路燈二次光學透鏡第三個實施例的極坐標配光曲線圖；圖9是本發(fā)明一種LED路燈二次光學透鏡的內(nèi)表面設(shè)計流程圖。圖中具體標號如下10、11、光學透鏡 20、21、外表面 201、202、局部橢球面203、過度面30、基面40、41、內(nèi)表面
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。實施例一 參考圖1至圖5，本發(fā)明提供的一種LED路燈二次光學透鏡第一個實施例具有一外 表面20、一基面30和一內(nèi)表面40，三者共同界定出所述透鏡第一個實施例的整體構(gòu)造10 ；所述外表面20由兩個局部橢球面201、202及其之間的過度面203組成；所述基面30為一平面，基面30與所述外表面20相交，形成基面的邊界線；所述內(nèi)表面40位于所述基面30的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直 于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同的特殊曲面內(nèi)凹形成，此處第一個實施例 由形狀類似外表面較小的兩個局部橢球面及其之間的過度面內(nèi)凹形成，其在沿道路延伸方 向和垂直于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同；所述內(nèi)表面40的兩局部橢球面的橢球中心連線方向垂直于所述外表面20的兩局 部橢球面的橢球中心連線方向；所述內(nèi)表面40相對于一條垂直于所述基面30且通過基面30中心的法線前后、左 右分別對稱；所述外表面20存在一個通過所述外表面20橢球中心連線的對稱面(圖3所示 A-A面)，該對稱面與基面30的夾角為60° 90°，圖1至圖5所示為本發(fā)明的第一個實 施例，該實施例的所述外表面20對稱面與基面30夾角為90°，光源透過此實例的出射光分
5布相對所述外表面20對稱面對稱，在路面上形成的光斑也相對于路燈安裝位置前后、左右 分別對稱。實施例二 參考圖6所示，本發(fā)明的第二個實施例的外表面20與本發(fā)明第一個實施例的外表 面20相同，均由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成，但第二個實施例的內(nèi)表面41不同 于第一個實施例的內(nèi)表面40。參考圖9流程圖所示，假設(shè)第二實施例對應(yīng)的道路照明要求為矩形照明區(qū)域的 長寬比比較大，即路面的寬度較小，長度較大。固定內(nèi)表面頂點的高度，若某方向截面輪廓 線曲率半徑大于該高度值，則透鏡會使該方向上的光發(fā)散角度減??；反之，若小于高度值， 則會增大該方向上的光發(fā)散角。所以先確定透鏡內(nèi)表面沿道路延伸方向的曲率半徑Pi和垂直道路延伸方向的曲 率半徑P2的取值范圍是Pi<h< P2，其中h為上述固定的高度值。然后，從該取值范圍中任意選取P2的初始值，并以此在建模軟件中建立對 應(yīng)的內(nèi)表面3D模型。再將其導入至光學設(shè)計軟件中，并與外表面模型組合成透鏡模型，進行光線追跡， 得到模擬測試結(jié)果。分析該結(jié)果是否滿足設(shè)計初假定的道路照明各種要求，例如光斑是否能覆蓋住滿 要求的被照明區(qū)域，漏射在路面之外的無用光是否太多等，若不滿足，則修改口工和口2的 值，接著重復建模和光線追跡的步驟，直至基本滿足設(shè)計要求。經(jīng)過大量的循環(huán)模擬過程，最終確定第二實施例的透鏡內(nèi)表面由一個半橢球面內(nèi) 凹形成，所述半橢球面沿道路延伸方向為短軸方向，垂直道路延伸方向為長軸方向，所述長 軸方向的曲率半徑P2大于短軸方向的曲率半徑Pi，且Pi、P2的具體值利用上述方法根 據(jù)照明實際要求特殊確定。所述長軸方向垂直于所述外表面的兩局部橢球面的橢球中心連 線方向；所述內(nèi)表面41相對過所述基面30中心，垂直于基面30的法線前后、左右分別對 稱；所述外表面20對稱面與基面30夾角為90° ；所述外表面20、基面30和內(nèi)表面41三者共同界定出所述透鏡第二個實施例的整 體構(gòu)造11。實施例三參考圖7所示，本發(fā)明的第三個實施例的所述外表面21對稱面與基面30夾角為 75°參考圖8所示，圖中0° (實線)曲線為沿道路延伸方向的配光曲線，90° (虛線)為 垂直于道路延伸方向的配光曲線。由上述90°配光曲線所示，該第三實例的出射光沿垂直 于道路延伸方向相對于路燈安裝位置(圖6中極坐標0軸)并不對稱，絕大部分光只分布 在一側(cè)，這正好適合一些安裝在道路一側(cè)邊緣或者路燈頭傾斜安裝的路燈，因為對于這種 安裝條件，不對稱的光分布才能有效減少照射在照明要求之外的無效光分布，提高光能利 用率，節(jié)約能源。LED光源放置在所述基面30的中央，所述LED光源發(fā)光部分完全伸入由所述內(nèi)表 面形成的內(nèi)凹區(qū)域，所述LED光源底部平面放置與所述基面30平行。LED光源發(fā)出的光線經(jīng)過所述內(nèi)表面和外表面20共同的折射、反射作用，由所述 透鏡出射至路面，在路面上形成亮度較為均勻的矩形光斑，覆蓋整個照明要求區(qū)域，有效減少照明要求區(qū)域之外的無用光分布，提高光能利用率，節(jié)約能源。所述一種LED路燈二次光學透鏡采用光學級材料PC或PMMA注塑成型。以上所揭露的僅是本發(fā)明的三個優(yōu)選實施例，本發(fā)明的涵蓋范圍遠遠大于上述三 個實施例。本發(fā)明根據(jù)實際道路照明要求選用不同的內(nèi)表面，所述內(nèi)表面由非半球形的，在 沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同的特殊曲面內(nèi)凹 形成，不同方向上曲率半徑的不同導致各方向上出射光分布的不同，從而在路面上形成的 光斑大小也不同。所以，通過選用不同的特殊設(shè)計的內(nèi)表面可以對路面上形成的光斑大小、 形狀進行調(diào)控，在達到道路照明標準的前提下，以滿足不同路面照明面積的實際需求。本發(fā)明還可以根據(jù)實際道路應(yīng)用條件，調(diào)整所述外表面20的對稱面與基面30的 夾角大小，從而簡單方便的得到適合各種安裝條件的路燈用LED路燈二次光學透鏡。
權(quán)利要求
一種LED路燈二次光學透鏡，其特征在于該透鏡具有一外表面，一基面和一內(nèi)表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構(gòu)造；所述外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成；所述基面為一平面，基面與所述外表面相交，形成基面的邊界線；所述內(nèi)表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同的特殊曲面內(nèi)凹形成；所述內(nèi)表面相對于一條垂直于所述基面且通過基面中心的法線前后、左右分別對稱；所述外表面存在一個通過所述外表面的兩個局部橢球面的橢球中心連線的對稱面，該對稱面與基面的夾角為60°～90°。
2.—種LED路燈二次光學透鏡設(shè)計方法，其特征在于該方法包括以下幾個步驟 第一步根據(jù)LED朗伯光源的發(fā)光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初始條件，依據(jù)折射定律和能量守恒定律，先假定LED光源為點光源，所述透鏡內(nèi)表面為半球形內(nèi) 凹，光源位于內(nèi)表面球心處，然后利用能量守恒原理和折射定律可以簡單的計算出所述二 次光學透鏡的外表面為典型的類似雙球型的高次自由曲面，由于考慮到高次自由曲面的工 程實現(xiàn)難度，將其簡化為所述的外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成；第二步對第一步計算得出的所述透鏡的整體構(gòu)造進行修改，特別是透鏡內(nèi)表面的形 狀，方案是確定所述外表面形狀不變，通過修改所述內(nèi)表面形狀使透鏡能達到出光均勻分 布的要求以及調(diào)控光斑大小、形狀；第三步將所述內(nèi)、外表面和基面簡單組合在一起，三者共同界定出所述透鏡的整體構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種LED路燈二次光學透鏡，該透鏡具有一外表面，一基面和一內(nèi)表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構(gòu)造；所述外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成；所述基面為一平面，基面與所述外表面相交，形成基面的邊界線；所述內(nèi)表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同的特殊曲面內(nèi)凹形成；所述內(nèi)表面相對于一條垂直于所述基面且通過基面中心的法線前后、左右分別對稱；所述外表面存在一個通過所述外表面的兩個局部橢球面的橢球中心連線的對稱面，該對稱面與基面的夾角為60°～90°。
文檔編號F21Y101/02GK101858557SQ201010205870
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者朱放, 肖志松, 鄧思盛, 鄭曉虎, 黃安平 申請人:北京航空航天大學