一種偏光led配光透鏡及led路燈的製作方法

2023-04-27 04:18:26 1

專利名稱：一種偏光led配光透鏡及led路燈的製作方法
技術領域：
本發明屬於LED照明領域，具體涉及一種偏光LED配光透鏡及採用此配光透鏡的 LED路燈。
背景技術：
LED作為一種新型光源具有節能高效等多種優勢，但由於LED的配光為朗伯型，不 符合道路照明應用的要求，因此需要一種二次配光透鏡將LED的朗伯體配光轉變成適合用 於道路照明的配光曲線，而現有技術的做法是利用一個二次配光透鏡，把光線配成一個均 勻的矩形光斑，如專利號為200710123944. 8、名稱為「二次光學透鏡」的中國發明專利，該專 利公開了一種可以把光線配成一個均勻的矩形光斑的二次配光透鏡，而且雜光損失少，出 光率大幅提高，可有效控制出光光斑的形狀。此種種透鏡直接應用於路燈照明是太合適的， 下面將結合路燈的實際安裝來闡述不合適的原因。情況一請參考圖1，路燈燈杆安裝在路的二邊，燈杆設有橫向支架，路燈設置在 橫向支架上，路燈未設置仰角，在這種情況下，如果採用具有上述配光曲面的配光透鏡，會 造成人行道和機動車道上光斑的寬度和亮度是相同的，由於路燈的橫向支架長度有限，而 機動車道相對人行道寬很多，這樣路燈發出的光將近一半照在人行道上，根據道路照明規 範的要求，人行道部分的亮度相對於機動車道要低一半，所以造成浪費。情況二 請參考圖2，路燈燈杆安裝在路的兩邊，燈杆設有橫向支架，路燈設置在 橫向支架上，路燈設置有仰角，在這種情況下，如果直接採用具有上述配光曲面的配光透 鏡，會造成離路燈較近的人行道上較亮，而需要更高亮度的機動車道上較暗，而且有仰角的 安裝方式並不常用，國際路燈通用安裝方式為不設置仰角。綜上所述，該專利所公開的二次配光透鏡用於路燈照明仍有較大改進空間。

發明內容
本發明主要解決的技術問題是提供一種能夠實現部分區域光線強、部分區域光線 弱，更符合道路照明的LED偏光配光透鏡及採用此配光透鏡的LED路燈。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是提供一種偏光LED配光透鏡，包 括本體，本體由基面、入光面和出光面圍成，所述基面為透鏡的底部平面，所述入光面設置 在基面上，為凹入基面結構，所述出光面為曲面；定義本體的長度方向為X軸，並定義沿X軸方向光線是均勻分布的，定義本體的寬 度方向為Y軸，並定義沿Y軸方向光線分布是一邊亮度低，一邊亮度高，所述出光面沿χ軸 或Y軸方向被分切成多個剖面，各個剖面的輪廓曲線的XY離散點坐標值由以下等式(1)、等 式(2)、等式(3)、初始條件及θ角的條件、並由數學積分迭代法算出，其坐標原點為所述透 鏡底部平面的中心點；所述X軸和Y軸方向的出光面各個剖面的輪廓曲線由以下公式定義sin ( β η- θ η) = sin ( α η+90- β η)(1)
yn/xn = tan ( θ η)(2)(Yn-Yn^1) / (Xn-Xlri) = tan ( β η)(3)其中，θ為進入透鏡的入射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角，其取值範圍設為 [Qc^ejdfetlN Θ η間的角度分成η等份，各等份相應角度為θη;與角度為θη的入射 光線對應的透鏡出射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角為α η，其取值範圍設為[α(ι，α J ； LED配光透鏡本體材料的折射率為η』 ；設θη、αη對應的輪廓曲線上的點為(xn，yn)，設輪 廓曲線在(xn，yn)的切線與X軸或Y軸正半軸的夾角為βη，定義X軸輪廓曲線時，θ為進 入透鏡的入射光線與X軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和X軸正半軸的夾角，β為輪 廓曲線在(xn，yn)的切線與X軸正半軸的夾角，定義Y軸輪廓曲線時，θ為進入透鏡的入射 光線與Y軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和Y軸正半軸的夾角，β為輪廓曲線在(χη， yn)的切線與Y軸正半軸的夾角；所述出光面是根據X軸或Y軸方向上的各個剖面的輪廓曲線連成。其中，所述透鏡本體基面上設有卡口。其中，所述透鏡為PMMA透鏡、PC透鏡或玻璃透鏡。本發明同樣公開了一種LED路燈，包括LED燈和配光透鏡，所述配光透鏡包括本 體，本體由基面、入光面和出光面圍成，所述基面為透鏡的底部平面，所述入光面設置在基 面上，為凹入基面結構，所述LED燈設置在入光面內，所述出光面為曲面；定義本體的長度方向為X軸，並定義沿X軸方向光線是均勻分布的，定義本體的寬 度方向為Y軸，並定義沿Y軸方向光線分布是一邊亮度低，一邊亮度高，所述出光面沿χ軸 或Y軸方向被分切成多個剖面，各個剖面的輪廓曲線的XY離散點坐標值由以下等式(1)、等 式(2)、等式(3)、初始條件及θ角的條件、並由數學積分迭代法算出，其坐標原點為所述透 鏡底部平面的中心點；所述X軸和Y軸方向的出光面各個剖面的輪廓曲線由以下公式定義sin ( β η- θ η) = sin ( α η+90- β η)(1)yn/xn = tan ( θ η)(2)(Yn-Yn^1) / (Xn-Xlri) = tan ( β η)(3)其中，θ為進入透鏡的入射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角，其取值範圍設為 [Qc^ejdfetlN Θ η間的角度分成η等份，各等份相應角度為θη;與角度為θη的入射 光線對應的透鏡出射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角為α η，其取值範圍設為[α(ι，α J ； LED配光透鏡本體材料的折射率為η』 ；設θη、αη對應的輪廓曲線上的點為(xn，yn)，設輪 廓曲線在(xn，yn)的切線與X軸或Y軸正半軸的夾角為βη，定義X軸輪廓曲線時，θ為進 入透鏡的入射光線與X軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和X軸正半軸的夾角，β為輪 廓曲線在(xn，yn)的切線與X軸正半軸的夾角，定義Y軸輪廓曲線時，θ為進入透鏡的入射 光線與Y軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和Y軸正半軸的夾角，β為輪廓曲線在(χη， yn)的切線與Y軸正半軸的夾角；所述曲面是根據X軸或Y軸方向上的各個剖面的輪廓曲線連成。其中，所述透鏡本體基面上設有卡口。其中，所述透鏡為PMMA透鏡、PC透鏡或玻璃透鏡。本發明的有益效果是採用本發明所述LED的配光透鏡的路燈，採用無仰角安裝，其打在地面的光斑左右能量分布不對稱，並向機動車道方向偏移，使機動車道上較亮，而人 行道上較暗，更符合道路照明規範和實際使用情況，所以更合理。


下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。圖1是現有技術中LED配光透鏡應用於路燈的具體情況一；圖2是現有技術中LED配光透鏡應用於路燈的具體情況二 ；圖3是本發明採用的LED光源能量空間分布曲線圖；圖4是本發明採用的LED光源發出的光線經過配光透鏡後，在X軸的能量分布圖；圖5是本發明採用的LED光源發出的光線經過配光透鏡後，在Y軸的能量分布圖；圖6是本發明LED配光透鏡X軸方向各個剖面的曲線連接而成的透鏡曲面圖；圖7是本發明LED配光透鏡單顆透鏡正視圖；圖8是本發明LED配光透鏡單顆透鏡A-A向視圖；圖9是本發明LED配光透鏡單顆透鏡B-B向視圖；圖10是本發明LED配光透鏡單顆透鏡極坐標配光曲線；圖11是本發明LED配光透鏡應用於路燈的具體情況；圖12是採用本發明LED路燈無仰角安裝時打在地面的光斑圖；圖13是本發明LED配光透鏡3D光強分布圖；圖14是本發明LED配光透鏡模組透鏡正視圖；圖15是本發明LED配光透鏡模組透鏡前視圖；圖16是本發明LED配光透鏡模組透鏡側視圖；圖17是本發明LED配光透鏡模組透鏡的裝配示意圖。其中，1、機動車道；2、人行道；3、燈杆；4、橫向支架；5、路燈；6、配光透鏡；61、基 面；62、入光面；63、出光面；7、LED光源。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式 並配合附圖詳予說明。作為本發明LED配光透鏡的實施例，請參閱圖3至圖17，包括本體，本體由基面 61、入光面62和出光面63圍成，所述基面61為透鏡的底部平面，所述入光面62設置在基 面61上，為凹入基面結構，用於放置LED光源，所述出光面63為曲面，定義本體的長度方向 為X軸，並定義沿X軸方向光線是均勻分布的，定義本體的寬度方向為Y軸，並定義沿Y軸 方向光線分布是一邊亮度低，一邊亮度高。安裝路燈時，X軸與道路長度方向平行，Y軸與道 路寬度方向平行，所述出光面沿X軸或Y軸方向被分切成多個剖面，各個剖面的輪廓曲線的 XY離散點坐標值通過以下的等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始條件及θ角的條件由數學 積分迭代法算出，其坐標原點為所述基面的中心點；X軸方向的出光面曲線推導如下首先確定LED光源，然後測量LED光源其能量在 空間的分布曲線，在X軸的能量分布設為θ )，θ為經LED的出射光線與X軸正半軸的 夾角，其取值範圍設為[θ μ θ η]，其定義如圖3所示。
由於配光透鏡是用於路燈照明，沿道路長度方向光線理想情況應該是均勻分布 的，定義本體的長度方向為X軸，安裝路燈時，X軸與道路長度方向平行，具體定義如圖4所 示，LED的光在經過透鏡後，在X軸的能量分布為P χ(α)，與角度為9 的入射光線對應 的透鏡出射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角為α η，其取值範圍設為[αΟ，an]。將Θ0 θ η間的角度分成η等份，各等份對應的角度分別是θ 0、θ 1、θ 2、 θ 3. . . θ η，根據之前對LED的空間能量的測量數據，我們可以查得其對應的能量分布分別是wx ( θ 0) ；wx (θ 1) ；wx ( θ 2)... wx ( θ η)，再將上述各等份均分為m等份，分別為θ 0、θ 01、θ 02、θ 03、··· θ Omθ 1、θ 11、θ 12、θ 13、··· θ Im...θη-1、θ (η-1)1、θ (η_1)2、θ (η_1)3、......θ (n-l)m其對應的能量分布分別是wx( θ 0) ；wx( θ 01) ；wx( θ 02). . .wx( θ 0m)wx( θ 1) ；wx( θ 11) ；wx( θ 12). . .wx( θ lm)wx(η-1) ；wx[ θ (η-1) 1] ；wx[ θ (η-1) 2], . . wx[ θ (η-1)m]根據之前附圖4對LED在X軸的空間能量理想情況的定義，量測出各個點的能量 分布數據。將N等份的各等份的能量求和可得 設總能量為S = W0+W1+W2+. . .W(η-1)則各組份在總能量中所佔的比例為no = wo/s ；η ι = wi/s ；η (η-1) = W (η-1)/S ；而經過透鏡後光的能量分布我們已知為P x(a )，則我們可以求出a 0、a 1、a 2、 a 3...........an，其中a 0 a n為已知，使得.......
已知出射光線的角度θ 0、θ 1、θ 2、θ 3. . . θ π，及折射光線的角度α 0、α 1、α 2、 α 3... απ ；LED配光透鏡本體材料的折射率n』 ；曲線起始點為(xO，yO)自設；設我們需要 求的θ 1、α 1對應的輪廓曲線上的點為(Xl，yi)，設曲線在(Xl，yi)的切線與正半軸的夾角 為β ，設θ2、Ci2對應的輪廓曲線上的點為(x2，y2)，設輪廓曲線在(x2，y2)的切線與X軸 正半軸的夾角為β2，...，設θη、cin對應的輪廓曲線上的點為(xn，yn)，設輪廓曲線在(xn， yn)的切線與X軸或Y軸正半軸的夾角為β n;則根據折射公式可列出下列方程組sin(3「θ》*!!，= Sin(a ^90-β》(1)Y1A1 = tan( θ(2)(y「ytl) / (X「Xq) = tan ( β》(3)由上列方程我們可以求得(Xl，yi)，運用相同的迭代方法可以求出(x2，y2)... (xn, yn)，將此系列點連成光曲線即為我們求的X軸方向的曲線。由於配光透鏡是用於路燈照明，沿道路寬度方向光線理想情況應該是人行道上亮 度低，機動車道上亮度高，具體定義如圖5所示，定義本體的寬度方向為Y軸，安裝路燈時， Y軸與道路寬度方向平行，LED的光在經過透鏡後，在Y軸的能量分布為P y ( α )，與角度為
θ n的入射光線對應的透鏡出射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角為α n，，其取值範圍設為 [αΟ, α n]，根據已知的LED出光能量分布及透鏡在Y軸方向的配光，我們採用同樣的數學 積分迭代方法求出Y軸方向的曲線，以及將在Y軸方向旋轉一定角度的各個剖面的輪廓曲 線，將其連成曲面，即得到LED配光透鏡的整個曲面，如圖6所示。圖7至圖9所示的是本發明LED配光透鏡單顆透鏡是利用上述公式定義並構建透 鏡曲面的具體實施例，所述透鏡為PMMA(亞克力)透鏡、PC(聚碳酸酯)透鏡或玻璃透鏡， 該透鏡X軸為長軸，Y軸為短軸，並且沿短軸方向看，透鏡是左右對稱的，可以將光斑拉長， 使沿道路長度方向配光均勻，具體可見圖10中C0-C180曲線所示；沿長軸方向看，透鏡是不 對稱的，以短軸的中垂線為界，把光線分為二個區域C和D，將光配成兩邊的偏角不一樣，導 致左右能量分布不對稱，光線能量C區弱D區強，C區對應的是人行道，D區對應的是機動車 道，具體可見圖10中C90-C270配光曲線所示。採用本發明所述LED的配光透鏡的路燈，包括LED燈和配光透鏡，所述配光透鏡採
8用上述的配光透鏡，路燈採用無仰角安裝，其打在地面的光斑左右能量分布不對稱，並向機 動車道方向偏移，使機動車道上較亮，而人行道上較暗，更符合道路照明規範和實際使用情 況，所以更合理。圖11本發明LED路燈實施例在無仰角安裝時的情況，此時路燈打在地面的光斑如 圖12所示，透鏡3D光強分布圖如圖13所示。圖14至圖17所示的是本發明LED配光透鏡做成模組形式的結構和路燈裝配示意 圖，所述透鏡模組由多顆配光透鏡陣列成一個整體，每顆配光透鏡對應一個LED光源，所述 透鏡本體基面上設有用於把透鏡固定在LED燈上的卡口，所述卡口可與LED光源上的安裝 孔相配合。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發 明說明書及附圖內容所作的等效結構，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理 包括在本發明的專利保護範圍內。
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權利要求
一種偏光LED配光透鏡，其特徵在於包括本體，本體由基面、入光面和出光面圍成，所述基面為透鏡的底部平面，所述入光面設置在基面上，為凹入基面結構，所述出光面為曲面；定義本體的長度方向為X軸，並定義沿X軸方向光線是均勻分布的，定義本體的寬度方向為Y軸，並定義沿Y軸方向光線分布是一邊亮度低，一邊亮度高，所述出光面沿X軸或Y軸方向被分切成多個剖面，各個剖面的輪廓曲線的XY離散點坐標值由以下等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始條件及θ角的條件、並由數學積分迭代法算出，其坐標原點為所述透鏡底部平面的中心點；所述X軸和Y軸方向的出光面各個剖面的輪廓曲線由以下公式定義sin(βn θn)*n』＝sin(αn+90 βn) (1)yn/xn＝tan(θn) (2)(yn yn 1)/(xn xn 1)＝tan(βn) (3)其中，θ為進入透鏡的入射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角，其取值範圍設為[θ0，θn]，將θ0～θn間的角度分成n等份，各等份相應角度為θn；與角度為θn的入射光線對應的透鏡出射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角為αn，其取值範圍設為[α0，αn]；LED配光透鏡本體材料的折射率為n』；設θn、αn對應的輪廓曲線上的點為(xn，yn)，設輪廓曲線在(xn，yn)的切線與X軸或Y軸正半軸的夾角為βn；定義X軸輪廓曲線時，θ為進入透鏡的入射光線與X軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和X軸正半軸的夾角，β為輪廓曲線在(xn，yn)的切線與X軸正半軸的夾角，定義Y軸輪廓曲線時，θ為進入透鏡的入射光線與Y軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和Y軸正半軸的夾角，β為輪廓曲線在(xn，yn)的切線與Y軸正半軸的夾角；所述出光面是根據X軸或Y軸方向上的各個剖面的輪廓曲線連成。
2.根據權利要求1所述的偏光LED配光透鏡，其特徵在於所述透鏡本體基面上設有 卡口。
3.根據權利要求1所述的偏光LED配光透鏡，其特徵在於所述透鏡為PMMA透鏡、PC 透鏡或玻璃透鏡。
4.一種LED路燈，包括LED燈和配光透鏡，其特徵在於所述配光透鏡包括本體，本體 由基面、入光面和出光面圍成，所述基面為透鏡的底部平面，所述入光面設置在基面上，為 凹入基面結構，所述LED燈設置在入光面內，所述出光面為曲面；定義本體的長度方向為X軸，並定義沿X軸方向光線是均勻分布的，定義本體的寬度方 向為Y軸，並定義沿Y軸方向光線分布是一邊亮度低，一邊亮度高，所述出光面沿X軸或Y 軸方向被分切成多個剖面，各個剖面的輪廓曲線的XY離散點坐標值由以下等式(1)、等式 (2)、等式(3)、初始條件及θ角的條件、並由數學積分迭代法算出，其坐標原點為所述透鏡 底部平面的中心點；所述X軸和Y軸方向的出光面各個剖面的輪廓曲線由以下公式定義 sin ( β η- θ η) *η，= sin ( α η+90- β η)(1)yn/xn = tan ( θ η)(2)(yn-yn-i) / (Xn-Xn-I) = tan ( β η)(3)其中，θ為進入透鏡的入射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角，其取值範圍設為[θ。，θη]，將θο θ η間的角度分成η等份，各等份相應角度為θη;與角度為θη的入射光線 對應的透鏡出射光線與X軸或Y軸正半軸的夾角為α η，其取值範圍設為[Qtl, aJ ；LED配 光透鏡本體材料的折射率為η』 ；設θη、α η對應的輪廓曲線上的點為(xn，yn)，設輪廓曲線 在(xn，yn)的切線與X軸或Y軸正半軸的夾角為βη，定義X軸輪廓曲線時，θ為進入透鏡 的入射光線與X軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和X軸正半軸的夾角，β為輪廓曲線 在(xn，yn)的切線與X軸正半軸的夾角，定義Y軸輪廓曲線時，θ為進入透鏡的入射光線與 Y軸正半軸的夾角，α為透鏡出射光線和Y軸正半軸的夾角，β為輪廓曲線在(Xn，yn)的切 線與Y軸正半軸的夾角；所述出光面是根據X軸或Y軸方向上的各個剖面的輪廓曲線連成。
5.根據權利要求4所述的LED路燈，其特徵在於所述透鏡本體基面上設有卡口。
6.根據權利要求4所述的LED路燈，其特徵在於所述透鏡為PMMA透鏡、PC透鏡或玻 璃透鏡。
全文摘要
本發明屬於LED照明領域，具體涉及一種偏光LED配光透鏡及LED路燈，所述透鏡包括本體，本體由基面、入光面和出光面圍成，所述基面為透鏡的底部平面，所述入光面設置在基面上，為凹入基面結構，所述出光面為曲面，定義出LED發出的光線通過配光透鏡後理想情況的光強分布圖，出光面輪廓曲線的XY離散點坐標值通過光強分布圖、等式及初始條件由數學積分迭代法定義出。採用本發明所述LED的配光透鏡的路燈，打在地面的光斑左右能量分布不對稱，並向機動車道方向偏移，使機動車道上較亮，而人行道上較暗，更符合道路照明規範和實際使用情況，所以更合理。
文檔編號F21S8/00GK101915391SQ201010249170
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月10日 優先權日2010年8月10日
發明者李志江 申請人:深圳萬潤科技股份有限公司