專利名稱:Led路燈透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及LED照明領(lǐng)域，尤其涉及光能利用率較高的LED路燈透鏡。
背景技術(shù)：
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造成了能源的巨大浪費。因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長、顯色指數(shù)高、環(huán)保的路燈對城市照明節(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，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)計的不合理和材料本身的損耗，光能利用率低。
公開號為CN2842182中國專利公開了一種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LED的安裝面呈凸起狀。
公開號為CN1821651的中國專利公開了一種大功率LED路燈，這種路燈燈頭套接有對應(yīng)的透鏡，透鏡通過固定蓋板固定。
公開號為CN2896006的中國專利公開了一種高亮度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LED都裝有透鏡。
公開號為CN1936417的中國專利公開了一種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傾斜平面構(gòu)成，LED通過透鏡套住，用透鏡固定架固定透鏡。
公開號為CN101105272中國專利公開了一種LED路燈透鏡，這種透鏡的結(jié)構(gòu)是包
含具有圓對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，以上專利文獻揭露的路燈發(fā)光裝置光能利用率很低或均勻性達不到標準。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種光利用率高的LED路燈光學(xué)系統(tǒng)，達到在矩形區(qū)域內(nèi)滿足道路照明的光分布照度要求。
為了達成上述目的，本實用新型提供了 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渡面，所述透鏡包括入射面、出射面以及所述入射面和出射面的過渡面，所述入射面為內(nèi)凹的曲面；所述出射面為一個沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出的花生米形狀的曲面。
較佳地，所述內(nèi)凹曲面為中心對稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長條形曲面。[0014] 較佳地，在其出射面輪廓圓弧凸出，所述出射面的穿過透鏡中心軸Z軸的橫向截面的輪廓圓弧凸出、穿過透鏡中心軸Z軸的縱向截面的輪廓弧形凹下。
較佳地，所述縱向截面上的正半截面輪廓的線段包括入射面輪廓線段AB，過渡面輪廓曲線BC，出射面輪廓曲線CD。
較佳地，所述CD曲線的構(gòu)造方法為AB與CD線構(gòu)成二維透鏡，通過Z軸旋轉(zhuǎn)360度，將光源所發(fā)出的從0度到a角內(nèi)的光能重新分配在目標平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，圓形區(qū)域內(nèi)的照度為常數(shù)，CD上點坐標為(x， z)，光線從光源點到(x， z)經(jīng)過CD上的點(x0， zO)，從而確定光源發(fā)出光線的頂角，再根據(jù)光能經(jīng)過透鏡的能量守恒公式，在頂角內(nèi)的光通量等于對應(yīng)的目標平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)滿足上述條件的微分方程解出CD曲線的數(shù)值解。
較佳地，所述橫向截面上的正半截面輪廓的線段包括入射面輪廓包含線段ab，過渡面輪廓為曲線bc，出射面輪廓為曲線cd。
較佳地，所述cd曲線的構(gòu)造方法為ab與cd線構(gòu)成二維透鏡，通過Z軸旋轉(zhuǎn)360
度，將光源所發(fā)出的從O度到13角內(nèi)的光能重新分配在目標平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，
cd上點坐標為(y， z)，光線從光源點到(y， z)為入射光線，從(y， z)到目標平面為出射光
線，根據(jù)光能經(jīng)過透鏡的能量守恒公式，在頂角內(nèi)的光通量等于對應(yīng)的目標平面內(nèi)圓形面
積乘以照度，最終根據(jù)滿足上述條件的微分方程解出cd曲線的數(shù)值解。
較佳地，所述反光杯的內(nèi)反射面關(guān)于對稱軸左右上下對稱。
較佳地，所述透鏡的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或玻璃。
較佳地，所述發(fā)光單元由多個相應(yīng)的LED光源、反光杯、透鏡構(gòu)成。
使用本實用新型的透鏡，LED光源所發(fā)出的光能都能經(jīng)過透鏡曲面的折射傳輸出，
因此利用率較高。本實用新型的透鏡的出射曲面的獨特設(shè)計，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)時較佳實施例的描述以及附圖，可最佳地理解本實用新型及其目的與優(yōu)點，其中
圖1是本實用新型路燈透鏡立體圖；
圖2是本實用新型路燈透鏡的側(cè)視圖；
圖3是本實用新型路燈光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的剖視圖；
圖4是本實用新型路燈光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的上表面立體圖；
圖5是本實用新型路燈光學(xué)系統(tǒng)中透鏡橫向截面的二維坐標標記圖；
圖6是本實用新型路燈光學(xué)系統(tǒng)中透鏡縱向截面的二維坐標標記圖；
圖7是本實用新型路燈光學(xué)系統(tǒng)光線傳播圖；
圖8是本實用新型路燈光學(xué)系統(tǒng)的實際安裝照度分布圖；
圖9是本實用新型燈光學(xué)系統(tǒng)的實際安裝配光曲線圖。
附圖符號表
1 :第一種路燈光學(xué)系統(tǒng)
11 :透鏡
12 :反光杯 121 :反光杯的反光面[0036] 122:反光杯的底面 13:LED光源
111 :透鏡入射面 112 :透鏡出射面
113 :透鏡入射面和出射面的過渡區(qū)域
131 :光源所發(fā)出的光線分成小角度光路
132 :光源所發(fā)出的光線分成大角度光路
3:目標區(qū)域
具體實施方式
現(xiàn)參考附圖描述根據(jù)本實用新型的LED路燈光學(xué)系統(tǒng)的較佳實施例。[0043]
圖1和圖2所示，如圖1所示，根據(jù)本實用新型實施例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13。 LED光源13安裝于透鏡11底面。[0044]
本實施例中，LED光源13為單個或多個大功率LED或LED模組。LED光源13發(fā)出角度基本為180度的光。圖2示出了是本實用新型路燈透鏡配合兩顆LED系統(tǒng)的剖視圖。[0045]
本實施例中，LED光源13為單個或多個大功率LED或LED模組。LED光源13發(fā)出角度基本為180度的光
透鏡ll將LED光源13所發(fā)出光線經(jīng)過重新整形，在一定距離的垂直平面內(nèi)形成矩形光斑的透鏡。如圖3和圖4所示，透鏡包含入射面lll和出射面112及入射面和出射面的過渡區(qū)域113。入射面111為圓弧或自由曲線垂直拉伸的曲面，出射面112為一個縱向弧形凹下、橫向弧形凸出的花生米形狀。[0047]
現(xiàn)參考圖5和圖6，具體描述透鏡11的結(jié)構(gòu)。
參閱圖5和圖6，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，過渡面輪廓為曲線BC，出射面輪廓為曲線CD。[0050]
CD曲線的構(gòu)造方法為
AB與CD線構(gòu)成二維透鏡，通過Z軸旋轉(zhuǎn)360度，假設(shè)成三維圓對稱透鏡，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平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，假設(shè)光源為點光源，CD上點坐標為(x， z)，根據(jù)光線折射定律，確定光線從光源點到(x， z)經(jīng)過CD上的點(x0， c)，從而確定光源發(fā)出光線的頂角，點(x0， z0)通過以下公式求得
<formula>formula see original document page 5</formula>[0053] <formula>formula see original document page 5</formula>
此時出射光線矢量i' = (x-xO,z-z0)[0055]
入射光線矢量j = (xO，zO)[0056]
其中n為空氣密度[0057]
n'為透鏡密度
然后光線由點(xO， zO)到達(x， z)經(jīng)過折射出射到目標區(qū)域，同樣根據(jù)折射定律(1. 1)求得在到達目標圓形區(qū)域的半徑r ;[0059]
此時出射光線矢量》=0"-x,H-Z)
入射光線矢量i = (;c-Jc0，Z-z0)[0061] 其中n為透鏡密度[0062]
n'為空氣密度
再根據(jù)光能經(jīng)過透鏡的能量守恒公式，在頂角內(nèi)的光通量等于對應(yīng)的目標平面內(nèi)
圓形面積乘以照度。在頂角2 9內(nèi)的光通量為<1)1= f。/(e)^Q在目標平面的半徑為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可以最終確定坐標點(x， z)數(shù)值算法解，最終擬和成CD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，過渡面輪廓為曲線bc，出射面輪廓為曲線cd。[0065]
cd曲線的構(gòu)造方法為
ab與cd線構(gòu)成二維透鏡，通過Z軸旋轉(zhuǎn)360度，假設(shè)成三維圓對稱透鏡，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平面的半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，假設(shè)光源為點光源，cd上點坐標為(y， z)，根據(jù)光線折射定律，光線從光源點到(y， z)為入射光線，從(y， z)到目標平面為出射光線，根據(jù)光能經(jīng)過透鏡過程中能量守恒公式，在光源頂角內(nèi)的光通量等于對應(yīng)的目標平面內(nèi)圓形面積乘以照度，根據(jù)邊界條件y = 0， z = 0C，從而求得cd曲線的數(shù)值解，最終擬和成cd自由曲線。
同理可以求得經(jīng)過Y軸、與Z軸夾角為al的平面Pl上的曲線cldl，al > l度，此
時的邊界條件為y = 0， z = 0C1， Cl為面Pl與CD的交點；a2角度對應(yīng)的c2d2， a2 > al。
若將CD分割成等角度的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)過左
右對稱最終形成入射面111。
透鏡的出射面是通過以上求得的縱橫曲線網(wǎng)格化而成的曲面。[0071]
ab為根據(jù)LED實際配光所做調(diào)整的圓弧線或自由曲線。
本實施例中，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。
由此，如圖7所示，從LED光源13所發(fā)出的光線分成小角度光路131和大角度光路132。其中小角度光路131是從LED光源13發(fā)出后射向透鏡的入射面111，再由入射面111射向透鏡的出射面112，最后由經(jīng)過出射面112折射到達在一定距離的垂直水平面目標區(qū)域3，在目標區(qū)域3內(nèi)形成矩形光斑的所有光線組成。小角度光路131在X-Z平面上與Z軸所成的夾角小于等于80度，而在Y-Z平面上與Z軸所成的夾角小于等于80度。大角度光路132是由LED光源13發(fā)出后射向反光杯12的反射面121，再經(jīng)過反光面121反射到達目標區(qū)域3，光線主要集中在上述矩形光斑之內(nèi)，從而對中心區(qū)域的光進一步增強補償。[0074] 現(xiàn)根據(jù)圖8和圖9評價本實施例的LED路燈系統(tǒng)所達到的效果。圖10和圖11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到道路照明標準。[0075] 本實用新型具有如下優(yōu)點。[0076] (1)使用本實用新型的透鏡，LED光源所發(fā)出的光能都能經(jīng)過透鏡曲面的折射傳輸出，因此利用率較高。
(2)本實用新型的透鏡的出射曲面的獨特設(shè)計，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)已描述本實用新型的示范實施例，本技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員應(yīng)理解可對這些實施例作出修改而不超出本實用新型的主旨和精神，本實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渡面，其特征在于其特征在于，所述入射面為內(nèi)凹的曲面；所述出射面為一個沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出形狀的曲面。
2. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，所述內(nèi)凹曲面為中心對稱的圓弧線、自 由曲線垂直拉伸的長條形曲面。
3. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，在其出射面輪廓圓弧凸出，所述出射面 的穿過透鏡中心軸Z軸的橫向截面的輪廓圓弧凸出、穿過透鏡中心軸Z軸的縱向截面的輪 廓弧形凹下。
4. 如權(quán)利要求
3所述的路燈透鏡，其特征在于，所述縱向截面上的正半截面輪廓的線 段包括入射面輪廓線段AB，過渡面輪廓曲線BC，出射面輪廓曲線CD。
5. 如權(quán)利要求
4所述的路燈透鏡，其特征在于，所述CD曲線由AB與CD線構(gòu)成二維透 鏡，通過Z軸旋轉(zhuǎn)360度，將光源所發(fā)出的從0度到a角內(nèi)的光能重新分配在目標平面的半 徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，圓形區(qū)域內(nèi)的照度為常數(shù)，CD上點坐標為(x， z)，光線從光源點到(x， z)經(jīng)過CD上的點(xO， zO)，從而確定光源發(fā)出光線的頂角，再根據(jù)光能經(jīng)過透鏡的能量守 恒公式，在頂角內(nèi)的光通量等于對應(yīng)的目標平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)滿足上述 條件的微分方程解出CD曲線的數(shù)值解界定。
6. 如權(quán)利要求
3所述的路燈透鏡，其特征在于，所述橫向截面上的正半截面輪廓的線 段包括入射面輪廓包含線段ab，過渡面輪廓為曲線bc，出射面輪廓為曲線cd。
7. 如權(quán)利要求
6所述的路燈透鏡，其特征在于，所述cd曲線由ab與cd線構(gòu)成二維透 鏡，通過Z軸旋轉(zhuǎn)360度，將光源所發(fā)出的從0度到13角內(nèi)的光能重新分配在目標平面的 半徑為r圓形區(qū)域內(nèi)，cd上點坐標為(y，z)，光線從光源點到(y，z)為入射光線，從(y， z) 到目標平面為出射光線，根據(jù)光能經(jīng)過透鏡的能量守恒公式，在頂角內(nèi)的光通量等于對應(yīng) 的目標平面內(nèi)圓形面積乘以照度，最終根據(jù)滿足上述條件的微分方程解出cd曲線的數(shù)值 解界定。
8. 如權(quán)利要求
1所述的路燈透鏡，其特征在于，所述反光杯的內(nèi)反射面關(guān)于對稱軸左 右上下對稱。
9. 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、 聚碳酸酯或玻璃。
專利摘要
本實用新型提供了一種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渡面，所述透鏡包括入射面、出射面以及所述入射面和出射面的過渡面，所述入射面為內(nèi)凹的曲面；所述出射面為一個沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出的花生米形狀的曲面。
文檔編號F21W131/103GKCN201531820SQ200920078379
公開日2010年7月21日 申請日期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 申請人:江蘇伯樂達光電科技有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan