專利名稱:Led路燈透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及LED照明領(lǐng)域，尤其涉及光能利用率較高的LED路燈透鏡。
技術(shù)背景
路燈是城市照明的重要組成部分，傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈整體上 光效低的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費(fèi)。因此，開(kāi)發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、顯色指數(shù)高、環(huán) 保的路燈對(duì)城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。
現(xiàn)今，LED光源作為路燈的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。LED光源是光線分布較發(fā)散的光 源，為配合道路照明，需要在充分提高光能利用率的基礎(chǔ)上重新配光。
目前市場(chǎng)上LED路燈主要采用兩種配光形式，第一種為將LED發(fā)光模塊拱起或凹 進(jìn)，這種配光形式能將光在路面平行方向分布較廣，但光能利用率低，均勻性達(dá)不到要求。 第二種為采用透鏡配光，透鏡材料為PC或PMMA，透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理和材料本身的損 耗，光能利用率低。
公開(kāi)號(hào)為CN2842182中國(guó)專利公開(kāi)了一種LED路燈，這種路燈中的LED是密集安 裝在安放板上，安放板中部為平面板，周邊向LED的安裝面反方向翹起形成夾角，整個(gè)LED 的安裝面呈凸起狀。
公開(kāi)號(hào)為CN1821651的中國(guó)專利公開(kāi)了一種大功率LED路燈，這種路燈燈頭套接 有對(duì)應(yīng)的透鏡，透鏡通過(guò)固定蓋板固定。
公開(kāi)號(hào)為CN2896006的中國(guó)專利公開(kāi)了一種高亮度LED路燈燈頭，燈頭內(nèi)設(shè)置有 拱形支架，大功率LED安裝在支架上，每個(gè)LED都裝有透鏡。
公開(kāi)號(hào)為CN1936417的中國(guó)專利公開(kāi)了一種LED路燈光源，這種路燈的發(fā)光裝置 是LED安裝在散熱上座的底面上，底面由相互間成一定夾角的多個(gè)傾斜平面構(gòu)成，LED通過(guò) 透鏡套住，用透鏡固定架固定透鏡。
公開(kāi)號(hào)為CN101105272中國(guó)專利公開(kāi)了一種LED路燈透鏡，這種透鏡的結(jié)構(gòu)是包 含具有圓對(duì)稱的凹坑和枕頭形的出射面以及全反射面，透鏡的材料為PC或PMMA。 然而，以上專利文獻(xiàn)揭露的路燈透鏡的光能利用率很低或均勻性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種光利用率高的LED路燈透鏡，達(dá)到在矩形區(qū)域內(nèi)滿 足道路照明的光分布照度要求。
為了達(dá)成上述目的，提供了一種LED路燈透鏡，所述透鏡安裝在LED光源的上方， 所述透鏡和光源的軸線在同一條直線上，所述透鏡包含入射面和出射面、底面、全反射面以 及全反射面和出射面的過(guò)渡面，所述入射面為一個(gè)安裝所述LED光源的長(zhǎng)條形凹坑，凹坑 的中部為對(duì)稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長(zhǎng)條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面； 出射面為一個(gè)沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出的花生米形狀，穿過(guò)透鏡中心軸的 橫向截面的出射面輪廓圓弧凸出，穿過(guò)透鏡中心軸的縱向截面的出射面輪廓中心區(qū)域弧形凹下；圍繞入射面的全反射面，將光線反射向全反射面和出射面的過(guò)渡面。
較佳地，所述橫向截面的正半截面輪廓的線段包括入射面輪廓包含線段AB、曲線
BC，底面輪廓為線段CD，全反射面輪廓為曲線DE，過(guò)渡面輪廓為曲線EF，出射面輪廓為曲線FG。
較佳地，F(xiàn)G曲線的構(gòu)造方法為AB與FG線構(gòu)成二維透鏡，通過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)36 0度， 將光源所發(fā)出的從0度到a角內(nèi)的光能重新分配在垂直于LED光源中心線的目標(biāo)平面的 半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，中心線經(jīng)過(guò)圓形區(qū)域的中心；FG上點(diǎn)坐標(biāo)為(x， z)，光線從光源點(diǎn)到 (x，z)經(jīng)過(guò)FG上的點(diǎn)(xO，zO)，從而確定光源發(fā)出光線的頂角，在頂角內(nèi)的光通量等于對(duì)應(yīng) 的目標(biāo)平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)微分方程解出FG曲線的數(shù)值解。 較佳地，所述縱向截面的正半截面輪廓的線段包括入射面輪廓包含線段ab，底面 輪廓為線段bc，全反射面輪廓為曲線cd，過(guò)渡面輪廓為曲線de，出射面輪廓為曲線ef 。 較佳地，ef曲線的構(gòu)造方法為ab與ef線構(gòu)成二維透鏡，通過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)36 0度， 將光源所發(fā)出的從O度到13角內(nèi)的光能重新分配在垂直于LED光源中心線的目標(biāo)平面的 半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，中心線經(jīng)過(guò)圓形區(qū)域的中心；假設(shè)光源為點(diǎn)光源，ef上點(diǎn)坐標(biāo)為(y， z)，光線從光源點(diǎn)到(y，z)為入射光線，從(y，z)到目標(biāo)平面為出射光線，在頂角內(nèi)的光通 量等于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)微分方程解出ef曲線的數(shù)值解；其 中ab為根據(jù)LED實(shí)際配光所做調(diào)整的自由曲線。
較佳地，光源所發(fā)出的光路包括小角度光路和大角度光路，所述小角度光路為從 光源發(fā)出經(jīng)過(guò)入射面折射到達(dá)出射面，然后再經(jīng)過(guò)折射，從出射面出射，在一定距離的垂直 水平面內(nèi)形成矩形光斑的所有光線組成，所述小角度光路在所述橫向截面上所述透鏡的垂 線的夾角在80度之內(nèi)，所述小角度光路在所述縱向平面上與所述垂線的夾角在80度之內(nèi)； 所述大角度光路為從光源發(fā)出經(jīng)過(guò)入射面折射到達(dá)外圍全反射面，經(jīng)過(guò)反射后到達(dá)過(guò)渡 面，然后再經(jīng)過(guò)折射從透鏡出射，光線集中在上述矩形光斑之內(nèi)，從而對(duì)中心區(qū)域的光進(jìn)一 步增強(qiáng)補(bǔ)償。
較佳地，所述透鏡的材料為聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或者玻璃。
較佳地，所述透鏡為單個(gè)安裝或多個(gè)陣列在和LED對(duì)應(yīng)的發(fā)光面板上。
使用本實(shí)用新型的透鏡，LED光源所發(fā)出的光能都能經(jīng)過(guò)透鏡曲面的折射傳輸出，
因此利用率較高。本實(shí)用新型的透鏡的出射曲面的獨(dú)特設(shè)計(jì)，可以把光能在照射面上很好
的分配，因此均勻度較高。
參考下文之現(xiàn)時(shí)較佳實(shí)施例的描述以及附圖，可最佳地理解本實(shí)用新型及其目的 與優(yōu)點(diǎn)，其中
圖1是本實(shí)用新型路燈透鏡配合LED的系統(tǒng)剖視圖；
圖2是本實(shí)用新型路燈透鏡配合兩顆LED系統(tǒng)的剖視；圖
圖3是本實(shí)用新型透鏡的上表面立體圖；
圖4是本實(shí)用新型透鏡的下表面立體圖；
圖5是本實(shí)用新型透鏡橫向截面的二維坐標(biāo)標(biāo)記圖；
圖6是本實(shí)用新型透鏡縱向截面的二維坐標(biāo)標(biāo)記圖；[0028] 圖7是本實(shí)用新型透鏡陣列安裝圖；
圖8是本實(shí)用新型路燈透鏡配合LED系統(tǒng)光線傳播圖；
圖9是實(shí)施本實(shí)用新型路燈透鏡光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際安裝照度分布圖；
圖10是實(shí)施本實(shí)用新型路燈透鏡光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際安裝配光曲線圖。
附圖符號(hào)表
11 透鏡 111 透鏡入射面
112 透鏡出射面 113 透鏡全反射面
114 透鏡全反射面和出射面的過(guò)渡面 115 透鏡底面
12 LED光源 3 目標(biāo)區(qū)域
121 光源所發(fā)出的光線分成小角度光路
122 光源所發(fā)出的光線分成大角度光路
具體實(shí)施方式
現(xiàn)參考附圖描述根據(jù)本實(shí)用新型的LED路燈透鏡的較佳實(shí)施例。
如圖1所示，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例LED路燈應(yīng)用于一般的LED路燈光學(xué)系統(tǒng)1
中。光學(xué)系統(tǒng)1包含LED光源12。 LED光源12安裝于透鏡ll底面。
本實(shí)施例中，LED光源12為單個(gè)或多個(gè)大功率LED或LED模組。LED光源12發(fā)出
角度基本為180度的光。圖2示出了是本實(shí)用新型路燈透鏡配合兩顆LED系統(tǒng)的剖視圖。
透鏡11將LED光源13所發(fā)出光線經(jīng)過(guò)重新整形，在一定距離的垂直平面內(nèi)形成
矩形光斑的透鏡?，F(xiàn)詳述透鏡11的結(jié)構(gòu)。
如圖3和4所示，透鏡11包含入射面111和出射面112、全反射面113以及全反射 面和出射面的過(guò)渡面114、底面115。入射面111為長(zhǎng)條形凹坑，凹坑的中部為對(duì)稱的圓弧 線、自由曲線垂直拉伸的長(zhǎng)條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面。出射面112為一個(gè)縱 向弧形凹下、橫向弧形凸出的花生米形狀。圍繞入射面的全反射面113，將光線反射向全反 射面和出射面的過(guò)渡面114。
如圖5和6所示，透鏡11的入射面111與出射面112按照如下方式形成 定義透鏡中心軸為Z軸，與照明系統(tǒng)的主光軸方向重合，穿過(guò)透鏡中心軸的橫向 截面為X-Z平面，其出射面輪廓圓弧凸出，穿過(guò)透鏡中心軸的縱向截面為Y-Z平面，其出射 面輪廓中心區(qū)域弧形凹下。
透鏡X-Z平面上的正半截面輪廓的線段表示入射面輪廓為線段AB，過(guò)渡面輪廓 為曲線BC，底面輪廓線CD，全反射面輪廓線DE，過(guò)渡面輪廓線EF，出射面輪廓為曲線FG。
CD曲線的構(gòu)造方法為
AB與FG線構(gòu)成二維透鏡，通過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)360度，假設(shè)成三維圓對(duì)稱透鏡，將光源所 發(fā)出的從0度到a角內(nèi)的光能重新分配在目標(biāo)平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，假設(shè)光源為點(diǎn) 光源，F(xiàn)G上點(diǎn)坐標(biāo)為(x， z)，根據(jù)光線折射定律，確定光線從光源點(diǎn)到(x， z)經(jīng)過(guò)FG上的 點(diǎn)(x0， c)，從而確定光源發(fā)出光線的頂角，點(diǎn)(x0， z0)通過(guò)以下公式求得
<formula>formula see original document page 5</formula>
(o. i)
<formula>formula see original document page 5</formula>[0051] 此時(shí)出射光線矢量i'-(jc-JcO,Z-z0)
入射光線矢量j = (;cO,z0)
n為空氣密度
n'為透鏡密度
然后光線由點(diǎn)(xO， zO)到達(dá)(x， z)經(jīng)過(guò)折射出射到目標(biāo)區(qū)域，同樣根據(jù)折射定律 (1. 1)，從而求得在到達(dá)目標(biāo)圓形區(qū)域的半徑r ;
此時(shí)出射光線矢量》=(^-1,//-勻
入射光線矢量J =
—;cO，z-z0)
n為透鏡密度
n'為空氣密度
再根據(jù)光能經(jīng)過(guò)透鏡的能量守恒公式，在頂角內(nèi)的光通量等于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平面內(nèi)
圓形面積乘以照度。在頂角2e內(nèi)的光通量為(Dl-j^/(e)dQ在目標(biāo)平面的半徑為r圓形
區(qū)域內(nèi)的光通量為①2 = E* Ji r2，從而由邊界條件x = 0， z = a和能量守恒公式①1 =①2 可以最終確定坐標(biāo)點(diǎn)(x， z)數(shù)值解，最終擬合成FG自由曲線。
透鏡Y-Z平面上的正半截面輪廓的線段表示入射面輪廓包含線段ab，底面輪廓 為線段bc，全反射面輪廓為曲線cd，過(guò)渡面輪廓為曲線de，出射面輪廓為曲線ef 。
ef曲線的構(gòu)造方法為
ab與ef線構(gòu)成二維透鏡，通過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)360度，假設(shè)成三維圓對(duì)稱透鏡，將光源 所發(fā)出的從0度到13角內(nèi)的光能重新分配在目標(biāo)平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，假設(shè)光源為 點(diǎn)光源，ef上點(diǎn)坐標(biāo)為(y， z)，根據(jù)光線折射定律，光線從光源點(diǎn)到(y， z)為入射光線，從 (y， z)到目標(biāo)平面為出射光線，根據(jù)光能經(jīng)過(guò)透鏡過(guò)程中能量守恒公式，在光源頂角內(nèi)的光 通量等于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平面內(nèi)圓形面積乘以照度，根據(jù)邊界條件y = 0， z = 0G，以及滿足上 述公式的微分方程，求得ef曲線的數(shù)值解，最終擬和成ef自由曲線。
同理可以求得經(jīng)過(guò)Y軸、與Z軸夾角為al的平面Pl上的曲線elfl，al > l度，此
時(shí)的邊界條件為y = 0， z = 0G1， Gl為面Pl與CG的交點(diǎn)。a2角度對(duì)應(yīng)的e2f2， a2 > al。
若將CG分割成等角度N段曲線(N > 3)，則可共求得有N+l條曲線。
透鏡的出射面112是通過(guò)以上求得的縱橫曲線網(wǎng)格化而成的曲面。
ab為根據(jù)LED實(shí)際配光所做調(diào)整的圓弧線或自由曲線，ab垂直拉伸的曲面經(jīng)過(guò)左
右對(duì)稱最終形成入射面111的凹坑中間部分。
本實(shí)施例中，透鏡11的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者玻璃。
本實(shí)施例中，根據(jù)本實(shí)用新型的LED路燈透鏡為單個(gè)安裝。當(dāng)然，本實(shí)用新型的透 鏡還可陣列形成模塊安裝，如圖7所示。
如圖8所示，本實(shí)用新型從LED光源12所發(fā)出的光線分成小角度光路121和大角 度光路122，光路121是從LED光源12發(fā)出后射向透鏡11的入射面lll，再由入射面111射 向透鏡的出射面112，最后由經(jīng)過(guò)出射面112折射到達(dá)在一定距離的垂直水平面內(nèi)的目標(biāo) 區(qū)域，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)形成矩形光斑的所有光線組成，小角度光路在X-Z平面上與Z軸的夾角在80度之內(nèi)，小角度光路在Y-Z平面上與Z軸的夾角在80度之內(nèi)。光路122是由LED光 源12發(fā)出后射向透鏡11的全反射面113，再經(jīng)過(guò)全反射面113反射射向全反射面113和出 射面112的過(guò)渡區(qū)域114，最后經(jīng)過(guò)折射到達(dá)目標(biāo)區(qū)域3，光線集中在上述矩形光斑之內(nèi)，從 而對(duì)中心區(qū)域的光進(jìn)一步增強(qiáng)補(bǔ)償。
由以上的光路傳輸原理可以看出，LED光源所發(fā)出的光能都能經(jīng)過(guò)透鏡曲面的折 射傳輸出，另外通過(guò)透鏡出射曲面的設(shè)計(jì)可以把光能在照射面上很好的分配，達(dá)到照度均 勻性要求。
圖9、圖10為實(shí)施本實(shí)用新型方案后的LED路燈達(dá)到的效果圖，分別為照度分布圖 和配光曲線圖。由這兩張光學(xué)效果圖可以看出在有效照明范圍內(nèi)，光照度的均勻性能達(dá)到 道路照明標(biāo)準(zhǔn)。
本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)。
(1)使用本實(shí)用新型的透鏡，LED光源所發(fā)出的光能都能經(jīng)過(guò)透鏡曲面的折射傳 輸出，因此利用率較高。
(2)本實(shí)用新型的透鏡的出射曲面的獨(dú)特設(shè)計(jì)，可以把光能在照射面上很好的分 配，因此均勻度較高。
盡管業(yè)已描述本實(shí)用新型的示范實(shí)施例，本技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員應(yīng)理解可對(duì)這些 實(shí)施例作出修改而不超出本實(shí)用新型的主旨和精神，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求
及 其等同物所限定。
權(quán)利要求
一種LED路燈透鏡，所述透鏡安裝在LED光源的上方，所述透鏡和光源的軸線在同一條直線上，所述透鏡包含入射面和出射面、底面、全反射面以及全反射面和出射面的過(guò)渡面，其特征在于所述入射面為一個(gè)安裝所述LED光源的長(zhǎng)條形凹坑，凹坑的中部為對(duì)稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長(zhǎng)條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面；出射面為一個(gè)沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出的形狀，穿過(guò)透鏡中心軸的橫向截面的出射面輪廓圓弧凸出，穿過(guò)透鏡中心軸的縱向截面的出射面輪廓中心區(qū)域弧形凹下；圍繞入射面的全反射面，將光線反射向全反射面和出射面的過(guò)渡面。
2. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，所述橫向截面的正半截面輪廓的線段 包括入射面輪廓包含線段AB、曲線BC，底面輪廓為線段CD，全反射面輪廓為曲線DE，過(guò)渡面 輪廓為曲線EF，出射面輪廓為曲線FG。
3. 如權(quán)利要求
2所述的路燈透鏡，其特征在于，F(xiàn)G曲線由AB與FG線構(gòu)成二維透鏡， 通過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)360度，將光源所發(fā)出的從0度到a角內(nèi)的光能重新分配在垂直于LED光源 中心線的目標(biāo)平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，中心線經(jīng)過(guò)圓形區(qū)域的中心；FG上點(diǎn)坐標(biāo)為(x， z)，光線從光源點(diǎn)到(x，z)經(jīng)過(guò)FG上的點(diǎn)(xO，zO)，從而確定光源發(fā)出光線的頂角，在頂角 內(nèi)的光通量等于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)微分方程解出FG曲線的 數(shù)值解界定。
4. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，所述縱向截面的正半截面輪廓的線段 包括入射面輪廓包含線段ab，底面輪廓為線段bc，全反射面輪廓為曲線cd，過(guò)渡面輪廓為 曲線de，出射面輪廓為曲線ef。
5. 如權(quán)利要求
4所述的路燈透鏡，其特征在于，ef曲線由ab與ef線構(gòu)成二維透鏡，通 過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)360度，將光源所發(fā)出的從0度到13角內(nèi)的光能重新分配在垂直于LED光源中 心線的目標(biāo)平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，中心線經(jīng)過(guò)圓形區(qū)域的中心；假設(shè)光源為點(diǎn)光源， ef上點(diǎn)坐標(biāo)為(y， z)，光線從光源點(diǎn)到(y， z)為入射光線，從(y， z)到目標(biāo)平面為出射光 線，在頂角內(nèi)的光通量等于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)微分方程解出 ef曲線的數(shù)值解；其中ab為根據(jù)LED實(shí)際配光所做調(diào)整的自由曲線界定。
6. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于光源所發(fā)出的光路包括小角度光路和 大角度光路，所述小角度光路為從光源發(fā)出經(jīng)過(guò)入射面折射到達(dá)出射面，然后再經(jīng)過(guò)折射， 從出射面出射，在一定距離的垂直水平面內(nèi)形成矩形光斑的所有光線組成，所述小角度光 路在所述橫向截面上所述透鏡的垂線的夾角在80度之內(nèi)，所述小角度光路在所述縱向平 面上與所述垂線的夾角在80度之內(nèi)；所述大角度光路為從光源發(fā)出經(jīng)過(guò)入射面折射到達(dá) 外圍全反射面，經(jīng)過(guò)反射后到達(dá)過(guò)渡面，然后再經(jīng)過(guò)折射從透鏡出射的光路。
7. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，所述透鏡的材料為聚甲基丙烯酸甲酯、 聚碳酸酯或者玻璃。
8. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，所述透鏡為單個(gè)安裝或多個(gè)陣列在和 LED對(duì)應(yīng)的發(fā)光面板上。
專利摘要
本實(shí)用新型提供了一種LED路燈透鏡，所述透鏡安裝在LED光源的上方，所述透鏡和光源的軸線在同一條直線上，所述透鏡包含入射面和出射面、底面、全反射面以及全反射面和出射面的過(guò)渡面，所述入射面為長(zhǎng)條形凹坑，凹坑的中部為對(duì)稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長(zhǎng)條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面；出射面為一個(gè)沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出的花生米形狀，穿過(guò)透鏡中心軸的橫向截面的出射面輪廓圓弧凸出，穿過(guò)透鏡中心軸的縱向截面的出射面輪廓中心區(qū)域弧形凹下；圍繞入射面的全反射面，將光線反射向全反射面和出射面的過(guò)渡面。使用本實(shí)用新型的透鏡，LED光源所發(fā)出的光能都能經(jīng)過(guò)透鏡曲面的折射傳輸出，因此利用率較高。
文檔編號(hào)F21W131/103GKCN201531819SQ200920078378
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2009年7月16日
發(fā)明者宋金德, 張茂勝, 王祥偉, 秦大為, 董維勝, 陳志忠 申請(qǐng)人:江蘇伯樂(lè)達(dá)光電科技有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan