Led路燈透鏡的製作方法
2023-05-02 20:15:41
專利名稱:Led路燈透鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED照明領域，尤其涉及光能利用率較高的LED路燈透鏡。
技術背景
路燈是城市照明的重要組成部分，傳統的路燈常採用高壓鈉燈，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，開發新型高效、節能、壽命長、顯色指數高、環 保的路燈對城市照明節能具有十分重要的意義。
現今，LED光源作為路燈的應用已越來越廣泛。LED光源是光線分布較發散的光 源，為配合道路照明，需要在充分提高光能利用率的基礎上重新配光。
目前市場上LED路燈主要採用兩種配光形式，第一種為將LED發光模塊拱起或凹 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。 第二種為採用透鏡配光，透鏡材料為PC或PMMA，透鏡結構設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，燈頭內設置有 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，這種透鏡的結構是包 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透鏡的光能利用率很低或均勻性達不到標準。
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種光利用率高的LED路燈透鏡，達到在矩形區域內滿 足道路照明的光分布照度要求。
為了達成上述目的，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渡面，所述入射面為一個安裝所述LED光源的長條形凹坑，凹坑 的中部為對稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面； 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，穿過透鏡中心軸的 橫向截面的出射面輪廓圓弧凸出，穿過透鏡中心軸的縱向截面的出射面輪廓中心區域弧形凹下；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，過渡面輪廓為曲線EF，出射面輪廓為曲線FG。
較佳地，FG曲線的構造方法為AB與FG線構成二維透鏡，通過Z軸旋轉36 0度， 將光源所發出的從0度到a角內的光能重新分配在垂直於LED光源中心線的目標平面的 半徑為r圓形區域內，中心線經過圓形區域的中心；FG上點坐標為(x， z)，光線從光源點到 (x，z)經過FG上的點(xO，zO)，從而確定光源發出光線的頂角，在頂角內的光通量等於對應 的目標平面內圓形面積乘以照度，最終根據微分方程解出FG曲線的數值解。 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曲線的構造方法為ab與ef線構成二維透鏡，通過Z軸旋轉36 0度， 將光源所發出的從O度到13角內的光能重新分配在垂直於LED光源中心線的目標平面的 半徑為r圓形區域內，中心線經過圓形區域的中心；假設光源為點光源，ef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，在頂角內的光通 量等於對應的目標平面內圓形面積乘以照度，最終根據微分方程解出ef曲線的數值解；其 中ab為根據LED實際配光所做調整的自由曲線。
較佳地，光源所發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 光源發出經過入射面折射到達出射面，然後再經過折射，從出射面出射，在一定距離的垂直 水平面內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，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； 所述大角度光路為從光源發出經過入射面折射到達外圍全反射面，經過反射後到達過渡 面，然後再經過折射從透鏡出射，光線集中在上述矩形光斑之內，從而對中心區域的光進一 步增強補償。
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，所述透鏡為單個安裝或多個陣列在和LED對應的發光面板上。
使用本實用新型的透鏡，LED光源所發出的光能都能經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 與優點，其中
圖1是本實用新型路燈透鏡配合LED的系統剖視圖；
圖2是本實用新型路燈透鏡配合兩顆LED系統的剖視；圖
圖3是本實用新型透鏡的上表面立體圖；
圖4是本實用新型透鏡的下表面立體圖；
圖5是本實用新型透鏡橫向截面的二維坐標標記圖；
圖6是本實用新型透鏡縱向截面的二維坐標標記圖；[0028] 圖7是本實用新型透鏡陣列安裝圖；
圖8是本實用新型路燈透鏡配合LED系統光線傳播圖；
圖9是實施本實用新型路燈透鏡光學系統的實際安裝照度分布圖；
圖10是實施本實用新型路燈透鏡光學系統的實際安裝配光曲線圖。
附圖符號表
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渡面 115 透鏡底面
12 LED光源 3 目標區域
121 光源所發出的光線分成小角度光路
122 光源所發出的光線分成大角度光路
具體實施方式
現參考附圖描述根據本實用新型的LED路燈透鏡的較佳實施例。
如圖1所示，根據本實用新型實施例LED路燈應用於一般的LED路燈光學系統1
中。光學系統1包含LED光源12。 LED光源12安裝於透鏡ll底面。
本實施例中，LED光源12為單個或多個大功率LED或LED模組。LED光源12發出
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系統的剖視圖。
透鏡11將LED光源13所發出光線經過重新整形，在一定距離的垂直平面內形成
矩形光斑的透鏡。現詳述透鏡11的結構。
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 面和出射面的過渡面114、底面115。入射面111為長條形凹坑，凹坑的中部為對稱的圓弧 線、自由曲線垂直拉伸的長條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面。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。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，底面輪廓線CD，全反射面輪廓線DE，過渡面輪廓線EF，出射面輪廓為曲線FG。
CD曲線的構造方法為
AB與FG線構成二維透鏡，通過Z軸旋轉360度，假設成三維圓對稱透鏡，將光源所 發出的從0度到a角內的光能重新分配在目標平面的半徑為r圓形區域內，假設光源為點 光源，FG上點坐標為(x， z)，根據光線折射定律，確定光線從光源點到(x， z)經過FG上的 點(x0， c)，從而確定光源發出光線的頂角，點(x0， z0)通過以下公式求得
formula see original document page 5
(o. i)
formula see original document page 5[0051] 此時出射光線矢量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
然後光線由點(xO， zO)到達(x， z)經過折射出射到目標區域，同樣根據折射定律 (1. 1)，從而求得在到達目標圓形區域的半徑r ;
此時出射光線矢量》=(^-1,//-勻
入射光線矢量J =
—;cO，z-z0)
n為透鏡密度
n'為空氣密度
再根據光能經過透鏡的能量守恆公式，在頂角內的光通量等於對應的目標平面內
圓形面積乘以照度。在頂角2e內的光通量為(Dl-j^/(e)dQ在目標平面的半徑為r圓形
區域內的光通量為①2 = E* Ji r2，從而由邊界條件x = 0， z = a和能量守恆公式①1 =①2 可以最終確定坐標點(x， z)數值解，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，過渡面輪廓為曲線de，出射面輪廓為曲線ef 。
ef曲線的構造方法為
ab與ef線構成二維透鏡，通過Z軸旋轉360度，假設成三維圓對稱透鏡，將光源 所發出的從0度到13角內的光能重新分配在目標平面的半徑為r圓形區域內，假設光源為 點光源，ef上點坐標為(y， z)，根據光線折射定律，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，根據光能經過透鏡過程中能量守恆公式，在光源頂角內的光 通量等於對應的目標平面內圓形面積乘以照度，根據邊界條件y = 0， z = 0G，以及滿足上 述公式的微分方程，求得ef曲線的數值解，最終擬和成ef自由曲線。
同理可以求得經過Y軸、與Z軸夾角為al的平面Pl上的曲線elfl，al > l度，此
時的邊界條件為y = 0， z = 0G1， Gl為面Pl與CG的交點。a2角度對應的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是通過以上求得的縱橫曲線網格化而成的曲面。
ab為根據LED實際配光所做調整的圓弧線或自由曲線，ab垂直拉伸的曲面經過左
右對稱最終形成入射面111的凹坑中間部分。
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。
本實施例中，根據本實用新型的LED路燈透鏡為單個安裝。當然，本實用新型的透 鏡還可陣列形成模塊安裝，如圖7所示。
如圖8所示，本實用新型從LED光源12所發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發出後射向透鏡11的入射面lll，再由入射面111射 向透鏡的出射面112，最後由經過出射面112折射到達在一定距離的垂直水平面內的目標 區域，在目標區域內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，小角度光路在Y-Z平面上與Z軸的夾角在80度之內。光路122是由LED光 源12發出後射向透鏡11的全反射面113，再經過全反射面113反射射向全反射面113和出 射面112的過渡區域114，最後經過折射到達目標區域3，光線集中在上述矩形光斑之內，從 而對中心區域的光進一步增強補償。
由以上的光路傳輸原理可以看出，LED光源所發出的光能都能經過透鏡曲面的折 射傳輸出，另外通過透鏡出射曲面的設計可以把光能在照射面上很好的分配，達到照度均 勻性要求。
圖9、圖10為實施本實用新型方案後的LED路燈達到的效果圖，分別為照度分布圖 和配光曲線圖。由這兩張光學效果圖可以看出在有效照明範圍內，光照度的均勻性能達到 道路照明標準。
本實用新型具有如下優點。
(1)使用本實用新型的透鏡，LED光源所發出的光能都能經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計，可以把光能在照射面上很好的分 配，因此均勻度較高。
儘管業已描述本實用新型的示範實施例，本技術領域：
的技術人員應理解可對這些 實施例作出修改而不超出本實用新型的主旨和精神，本實用新型的範圍由所附權利要求
及 其等同物所限定。
權利要求
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，其特徵在於所述入射面為一個安裝所述LED光源的長條形凹坑，凹坑的中部為對稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面；出射面為一個沿著X軸方向弧形凹下、Y軸方向弧形凸出的形狀，穿過透鏡中心軸的橫向截面的出射面輪廓圓弧凸出，穿過透鏡中心軸的縱向截面的出射面輪廓中心區域弧形凹下；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渡面。
2. 如權利要求
1所述的路燈透鏡，其特徵在於，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，過渡面 輪廓為曲線EF，出射面輪廓為曲線FG。
3. 如權利要求
2所述的路燈透鏡，其特徵在於，FG曲線由AB與FG線構成二維透鏡， 通過Z軸旋轉360度，將光源所發出的從0度到a角內的光能重新分配在垂直於LED光源 中心線的目標平面的半徑為r圓形區域內，中心線經過圓形區域的中心；FG上點坐標為(x， z)，光線從光源點到(x，z)經過FG上的點(xO，zO)，從而確定光源發出光線的頂角，在頂角 內的光通量等於對應的目標平面內圓形面積乘以照度，最終根據微分方程解出FG曲線的 數值解界定。
4. 如權利要求
1所述的路燈透鏡，其特徵在於，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，過渡面輪廓為 曲線de，出射面輪廓為曲線ef。
5. 如權利要求
4所述的路燈透鏡，其特徵在於，ef曲線由ab與ef線構成二維透鏡，通 過Z軸旋轉360度，將光源所發出的從0度到13角內的光能重新分配在垂直於LED光源中 心線的目標平面的半徑為r圓形區域內，中心線經過圓形區域的中心；假設光源為點光源， ef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，在頂角內的光通量等於對應的目標平面內圓形面積乘以照度，最終根據微分方程解出 ef曲線的數值解；其中ab為根據LED實際配光所做調整的自由曲線界定。
6. 如權利要求
1所述的路燈透鏡，其特徵在於光源所發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出經過入射面折射到達出射面，然後再經過折射， 從出射面出射，在一定距離的垂直水平面內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，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；所述大角度光路為從光源發出經過入射面折射到達 外圍全反射面，經過反射後到達過渡面，然後再經過折射從透鏡出射的光路。
7. 如權利要求
1所述的路燈透鏡，其特徵在於，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. 如權利要求
1所述的路燈透鏡，其特徵在於，所述透鏡為單個安裝或多個陣列在和 LED對應的發光面板上。
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，所述入射面為長條形凹坑，凹坑的中部為對稱的圓弧線、自由曲線垂直拉伸的長條形曲面，其兩端部為圓弧面或自由曲面；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，穿過透鏡中心軸的橫向截面的出射面輪廓圓弧凸出，穿過透鏡中心軸的縱向截面的出射面輪廓中心區域弧形凹下；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渡面。使用本實用新型的透鏡，LED光源所發出的光能都能經過透鏡曲面的折射傳輸出，因此利用率較高。
文檔編號F21W131/103GKCN201531819SQ200920078378
公開日2010年7月21日 申請日期2009年7月16日
發明者宋金德, 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出引文BiBTeX, EndNote, RefMan