一種led路燈二次光學透鏡及其設計方法
2023-06-03 23:46:21 1
專利名稱：一種led路燈二次光學透鏡及其設計方法
技術領域：
本發明涉及LED照明應用領域，特別涉及一種LED路燈二次光學透鏡及其設計方法。
背景技術：
隨著節能減排，綠色環保的發展趨勢，LED (Light Emitting Diodes,發光二極體) 以其節能環保、發光效率高、壽命長、顯色指數高等優點，得到越來越廣泛的應用，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路燈光源(高壓鈉燈、高壓 汞燈及金滷燈等)的趨勢。然而，LED路燈的發光是由單一的LED光源(完成一次封裝的LED晶片)組合而 成，由於一般應用於路燈的LED光源屬於朗伯光源，發光方向性強，在距離路面一定高度且 垂直於路面發光時，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計是最直接有效的方法，但是現有技術往往只進行透鏡 的外表面設計，而忽視了透鏡基面中央用於放置LED光源的凹面(內表面)的設計。只針對 外表面的透鏡設計限制了透鏡對LED發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。現有技術的第二個不足是沒有考慮到實際道路應用時路燈安裝在道路一側的邊 緣，而非道路中央，採用對稱設計的現有技術便不能在這種場合發揮作用，因為現有技術在 路面形成的光斑是相對路燈安裝位置前後、左右分別對稱的，而路燈處於道路邊緣，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於內表面設計的透鏡 構造設計方法，以便克服現有技術的不足。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，並且提供一種照明效果很好的，能 夠支持多數路燈安裝方式的一種LED路燈二次光學透鏡及其基於內表面設計的透鏡構造 設計方法。一種LED路燈二次光學透鏡，其特徵在於具有一外表面，一基面和一內表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構造；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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所述內表面位於所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直於道 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凹形成；所述內表面相對於一條垂直於所述基面且通過基面中心的法線前後、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計方法分為以下幾個步驟第一步、根據LED朗伯光源的發光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初 始條件，依據折射定律和能量守恆定律，先假定LED光源為點光源，所述透鏡內表面為半球 形內凹，光源位於內表面球心處，然後利用能量守恆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，由於考慮到高次自由曲面 的工程實現難度，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造進行一些修改，特別是透鏡內表 面的形狀，方案是確定所述外表面形狀不變，通過修改所述內表面形狀使透鏡能達到出光 均勻分布的要求以及調控光斑大小、形狀。具體方法為(見圖9軟體流程圖)(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 是本發明進行內表面修改的基礎，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，剩下的優化工作是通過修改內表面形狀改善均勻度以及根據實際要求調控光斑大 小和形狀；(2)、根據道路照明的實際要求，例如對照明區域面積大小的要求等，確定大致的 內表面沿道路方向和垂直於道路方向兩個方向上的截面輪廓線的曲率半徑值的範圍；(3)、在上述範圍內選定任意兩個值，利用市場上已有的建模軟體建立內表面3D 模型；(4)、將上述模型導入到市場上已有的光學設計軟體中，並與已確定的外表面模型 組合成為透鏡模型進行光線追跡，並分析測試得到的結果；(5)、根據上述測試結果，修改選定的曲率半徑值，根據修改後的值再次建立內表 面3D模型，然後重複循環(4)、(5)步，直至修改得到的內表面組成的透鏡的模擬結果滿足 上述實際要求。由於上述一次循環可在短時間內完成，所以能在不花費很多時間的條件下， 重複進行大量的循環模擬過程，從而得到合適的透鏡內表面形狀。對於不同的道路照明實際要求，內表面的形狀也相應的不同。一般而言，所述內表 面是由非半球形的，在沿道路延伸方向和垂直於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、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 體構造。本發明的優點在於利用上述LED路燈二次光學透鏡，通過選用不同的特殊設計 的內表面，調控在路面上形成的光斑大小、形狀，滿足不同道路照明區域的實際需求，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域，並能有效減少照明要 求區域之外的無用光分布，提高光能利用率，節約能源；而且，採用獨特的可調非對稱設計， 使得在不同的道路路燈安裝條件下，都可以滿足上述優點。通過所述的基於內表面設計的 透鏡構造設計方法得到的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 所述內表面形狀，調控在路面上形成的光斑大小、形狀，滿足不同道路照明區域的實際需 求。
圖1是本發明一種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是本發明一種LED路燈二次光學透鏡第三個實施例的側視圖；圖8是本發明一種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是本發明一種LED路燈二次光學透鏡的內表面設計流程圖。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、內表面
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。實施例一 參考圖1至圖5，本發明提供的一種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和一內表面40，三者共同界定出所述透鏡第一個實施例的整體構造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；所述內表面40位於所述基面30的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直 於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凹形成，其在沿道路延伸方 向和垂直於道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同；所述內表面40的兩局部橢球面的橢球中心連線方向垂直於所述外表面20的兩局 部橢球面的橢球中心連線方向；所述內表面40相對於一條垂直於所述基面30且通過基面30中心的法線前後、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於路燈安裝位置前後、左右 分別對稱。實施例二 參考圖6所示，本發明的第二個實施例的外表面20與本發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表面41不同 於第一個實施例的內表面40。參考圖9流程圖所示，假設第二實施例對應的道路照明要求為矩形照明區域的 長寬比比較大，即路面的寬度較小，長度較大。固定內表面頂點的高度，若某方向截面輪廓 線曲率半徑大於該高度值，則透鏡會使該方向上的光發散角度減小；反之，若小於高度值， 則會增大該方向上的光發散角。所以先確定透鏡內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的取值範圍是Pi<h< P2，其中h為上述固定的高度值。然後，從該取值範圍中任意選取P2的初始值，並以此在建模軟體中建立對 應的內表面3D模型。再將其導入至光學設計軟體中，並與外表面模型組合成透鏡模型，進行光線追跡， 得到模擬測試結果。分析該結果是否滿足設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，接著重複建模和光線追跡的步驟，直至基本滿足設計要求。經過大量的循環模擬過程，最終確定第二實施例的透鏡內表面由一個半橢球面內 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大於短軸方向的曲率半徑Pi，且Pi、P2的具體值利用上述方法根 據照明實際要求特殊確定。所述長軸方向垂直於所述外表面的兩局部橢球面的橢球中心連 線方向；所述內表面41相對過所述基面30中心，垂直於基面30的法線前後、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和內表面41三者共同界定出所述透鏡第二個實施例的整 體構造11。實施例三參考圖7所示，本發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 垂直於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 於道路延伸方向相對於路燈安裝位置(圖6中極坐標0軸)並不對稱，絕大部分光只分布 在一側，這正好適合一些安裝在道路一側邊緣或者路燈頭傾斜安裝的路燈，因為對於這種 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，節約能源。LED光源放置在所述基面30的中央，所述LED光源發光部分完全伸入由所述內表 面形成的內凹區域，所述LED光源底部平面放置與所述基面30平行。LED光源發出的光線經過所述內表面和外表面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域，有效減少照明要求區域之外的無用光分布，提高光能利用率，節約能源。所述一種LED路燈二次光學透鏡採用光學級材料PC或PMMA注塑成型。以上所揭露的僅是本發明的三個優選實施例，本發明的涵蓋範圍遠遠大於上述三 個實施例。本發明根據實際道路照明要求選用不同的內表面，所述內表面由非半球形的，在 沿道路延伸方向和垂直於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計的內表面可以對路面上形成的光斑大小、 形狀進行調控，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。本發明還可以根據實際道路應用條件，調整所述外表面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。
權利要求
一種LED路燈二次光學透鏡，其特徵在於該透鏡具有一外表面，一基面和一內表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構造；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；所述內表面位於所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直於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凹形成；所述內表面相對於一條垂直於所述基面且通過基面中心的法線前後、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計方法，其特徵在於該方法包括以下幾個步驟 第一步根據LED朗伯光源的發光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初始條件，依據折射定律和能量守恆定律，先假定LED光源為點光源，所述透鏡內表面為半球形內 凹，光源位於內表面球心處，然後利用能量守恆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，由於考慮到高次自由曲面的工 程實現難度，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造進行修改，特別是透鏡內表面的形 狀，方案是確定所述外表面形狀不變，通過修改所述內表面形狀使透鏡能達到出光均勻分 布的要求以及調控光斑大小、形狀；第三步將所述內、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造。
全文摘要
本發明涉及一種LED路燈二次光學透鏡，該透鏡具有一外表面，一基面和一內表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構造；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；所述內表面位於所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直於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凹形成；所述內表面相對於一條垂直於所述基面且通過基面中心的法線前後、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 優先權日2010年6月12日
發明者朱放, 肖志松, 鄧思盛, 鄭曉虎, 黃安平 申請人:北京航空航天大學