CN101329033A - 一种led路灯配光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED路灯配光透镜，包括一内表面，所述内表面为半球面；一外表面，所述外表面为曲面。所述透镜的底部设有两固定脚。所述透镜峰值光强在一预定角度γ内配光，最佳实施例是在±60°左右配光，即γ＝60°，可降低路灯中间部位的光强度，使配光在所述预定角度范围内更均匀，从而使路面上整体的光照分布均匀，两路灯之间的路面上不会出现暗区，路灯的光型也呈比较完美的蝴蝶形。

Description

一种LED路灯配光透镜

所属技术领域

本发明涉及一种光学透镜，尤其是一种LED路灯配光透镜。

背景技术

LED作为照明光源，以其低能耗的特性已进入各种照明领域，路灯也不例外。目前市面上，一种新的产品LED路灯应运而生，并且很快成为不少城市街道的照明工具，LED路灯以其能耗低、寿命长、无二次污染等优点正倍受人们的青睐，尤其是在提倡绿色照明的今天，LED路灯在街道照明的应用中，更是一种新优产品。但目前的LED路灯，其光照范围都不广，而且其光照强度在路面上的分布都不均匀，目前来讲，即使是配光效果最好的一种方式，即采用反光杯对LED所发出的光进行反射和扩散的方式，虽然这种方式可以达到光照范围较广的目的，且可以将LED所发出的光线定向投射到路面上需要光线的区域，但是，由于反光杯对LED中心部分的光起不到配光作用，对于郎伯分布的LED，如果只采用反光杯配光，正对LED路灯的路面中心位置的光还是相对比较强，到路面边缘的光则变得较弱，导致路灯安装后，两灯之间的路面上会出现暗区，路灯的光型也不是完美的蝴蝶图。为了使路面上整体的光照分布均匀，就需要设计一种新的配光方案，以达到这种目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述提出的问题，提供一种可以对LED中心部分光进行配光以降低路灯光照中间部位的光强度的、使配光在路灯光照范围内更均匀从而使路面上整体的光照分布均匀的LED路灯配光透镜。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种LED路灯配光透镜，其特征是：包括

一内表面，所述内表面为半球面；

一外表面，所述外表面为曲面，该曲面的轮廓线的XY离散点坐标值通过以下的等式(1)、等式(2)、初始条件以及θ角的条件由计算机数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述半球面的球心，Y轴位于光轴：

等式(1)： $\left\{\begin{array}{c}{X}_n=X_{n-1}+\mathrm{dx}\\ Y_n=Y_{n-1}+\mathrm{dy}\end{array}\right.;$

等式(2)： $\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}{m-\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}\right);$

X_n、Y_n的初始条件为：X₀＝0、Y₀＝h、h为所述透镜的中心高度，所述轮廓线上第一个离散点的坐标值为：X₁＝h·tan(dθ)，Y₁＝h；

θ角的条件为：当θ角从0°变化到γ时， ${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}[\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\γ}}\·\tan \mathrm{\γ}];$ 当θ角从γ变化到90°时，θ′＝θ；γ的变化范围为：0°＜γ＜90°；

上述数学式中X_n、Y_n为LED射出的第n条光线经过所述外表面处的坐标值、θ为LED射出的第n条光线经过所述内表面后与透镜中心轴光轴的夹角、θ′为LED射出的第n条光线经过所述外表面折射后与光轴的夹角、α为第n条光线经过所述外表面的入射光线的入射角、dθ为LED光线角度的微元，这里计算时设成为dθ＝0.01°、dx为X微元、dy为Y微元、m为所述透镜的折射率。

作为本发明的最佳实施例，所述γ的数值为：γ＝60°。

所述透镜的底部设有两固定脚。

本发明与现有技术相比其有益效果有：由于所述外表面曲面采用所述的数学积分迭代法算出，使得经过本发明的峰值光强在路灯光照中间部位的范围内配光更均匀，并降低路灯中间部位的光强度，所以本发明正对LED路灯的路面中心位置的光和路面边缘的光都比较均匀一致，路面上整体的光照分布均匀，路灯安装后，两灯之间的路面上不会出现暗区，路灯的光型也呈比较完美的蝴蝶形。尤其是当γ＝60°时，上述效果更理想。

附图说明

图1是本发明的透视图；

图2是本发明的最佳实施例的径向截面光学分布图；

图3是本发明的最佳实施例的数学模型图；

图4是本发明的最佳实施例的外表面的曲面轮廓线示意图；

图5是本发明的最佳实施例的光强分布曲线图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步的说明：

参照图1、图2，本发明一种LED路灯配光透镜，包括一内表面1，所述内表面1为半球面，一外表面2，所述外表面2为曲面，透镜的工作面由内表面1和外表面2组成，所述透镜的底部设有两固定脚4。所述内表面1球面的球心位置正好位于LED3的芯片中心，LED芯片发出的光线经过内表面1后，光线方向没有改变。假设LED射出的光线和透镜中心轴(光轴)的夹角为θ(如图2所示)，经过内表面1后，光线角度还是θ，经过外表面2折射后，光线与光轴的夹角变成了θ′。

外表面2的配光满足以下条件：当θ角从0°变化到γ时， ${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}[\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\γ}}\·\tan \mathrm{\γ}];$ 当θ角从γ变化到90°时，θ′＝θ；所述γ的变化范围为：0°＜γ＜90°，本发明优选为：γ＝60°。

根据上述的条件，外表面2的轮廓线坐标值可以通过以下的模型利用数学迭代法算出：参照图3，将XY平面直角坐标的原点O位于LED3的芯片的中心，亦即所述内表面1半球面的球心，光轴位于Y轴。设LED射出的第n条光线和光轴的夹角为θ，经过外表面2上的P点后出射光线L与光轴的夹角为θ′。HH为经过P点的水平线，VV为经过P点的竖直线。NN为外表面2在P点位置的法线，II为外表面2经过P点位置的切线。α为P点处入射光线的入射角。β为P点处出射光线的出射角。根据图3所示的数学模型，有：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\θ})-\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}$ (3)

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\β})$ (4)

根据 $\mathrm{\ω}+\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 的关系，有：

$\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\β})=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

θ-α-θ′+β＝0

β＝θ′-θ+α(5)

根据斯涅尔折射定律(Snell Law)：

m·sinα＝n′·sinβ

其中m为所述透镜的折射率，n′为空气的折射率，空气的折射率为1，即n′＝1，由等式(5)得出：

m·sinα＝sinβ

＝sin[θ′-θ+α]     (6)

＝sin[θ′-θ)cosα+cos(θ′-θ)sinα

α的值可以由上式算出：

[m-cos(θ′-θ)]sinα＝sin(θ′-θ)cosα

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}{m-\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}$

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}{m-\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}\right)$ (2)

根据外表面2曲线在P点处的斜率为P点处切线的正切函数，P点处曲线的导数为：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=-\tan \mathrm{\ω}=-\tan (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})$

又对于X微元有：dx＝y_n-1[tan(θ+dθ)-tanθ]；所以Y微元：dy＝-dx·tan(θ-α)。其中dθ为LED光线角度的微元，这里计算时设成为dθ＝0.01°。P点处的XY坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_n=X_{n-1}+\mathrm{dx}\\ Y_n=Y_{n-1}+\mathrm{dy}\end{array}\right.$ (1)

X_n、Y_n的初始条件为：X₀＝0、Y₀＝h、h为透镜的中心高度。曲线上第一个点的坐标为：X₁＝h·tan(dθ)，Y₁＝h。

由等式(1)、等式(2)、和上述初始条件，以及θ角的条件：当θ角从0°变化到γ时， ${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}[\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\γ}}\·\tan \mathrm{\γ}];$ 当θ角从γ变化到90°时，θ′＝θ；所述γ的变化范围为：0°＜γ＜90°，在实际应用中，可以根据LED路灯的间距以及LED3的功率大小，来调整γ值，作为本发明的优选的最佳实施例，所述γ的数值为：γ＝60°，此时，外表面2的轮廓线的XY离散点坐标值可以由计算机积分迭代法算出，算出的外表面2曲面轮廓线如图4所示，外表面2曲面的径向截面的轮廓线如图2、图3所示。

本发明使路面上整体的光照分布均匀。作为本发明的最佳实施例，其峰值光强在±60°左右配光，可降低路灯中间部位的光强度，使配光在±60°范围内更均匀，其光强分布曲线如图5所示。

以上所举实施例仅以方便说明本发明，在不脱离本发明的创作精神范围，熟悉此一技术的人士所做的任何简单变相和修饰，仍应包含于本发明的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种LED路灯配光透镜，其特征在于：包括

一内表面，所述内表面为半球面；

一外表面，所述外表面为曲面，该曲面的轮廓线的XY离散点坐标值通过以下的等式(1)、等式(2)、初始条件以及θ角的条件由计算机数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述半球面的球心，Y轴位于光轴：

等式(1)： $\left\{\begin{array}{c}{X}_n=X_{n-1}+\mathrm{dx}\\ Y_n=Y_{n-1}+\mathrm{dy}\end{array}\right.;$

等式(2)： $\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}{m-\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})}\right);$

X_n、Y_n的初始条件为：X₀＝0、Y₀＝h、h为所述透镜的中心高度，所述轮廓线上第一个离散点的坐标值为：X₁＝h·tan(dθ)，Y₁＝h；

θ角的条件为：当θ角从0°变化到γ时， ${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}[\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\γ}}\·\tan \mathrm{\γ}];$ 当θ角从γ变化到90°时，θ′＝θ；γ的变化范围为：0°＜γ＜90°；

上述数学式中X_n、Y_n为LED射出的第n条光线经过所述外表面处的坐标值、θ为LED射出的第n条光线经过所述内表面后与透镜中心轴光轴的夹角、θ′为LED射出的第n条光线经过所述外表面折射后与光轴的夹角、α为第n条光线经过所述外表面的入射光线的入射角、dθ为LED光线角度的微元，这里计算时设成为dθ＝0.01°、dx为X微元、dy为Y微元、m为所述透镜的折射率。

2.根据权利要求1述的LED路灯配光透镜，其特征在于：所述γ的数值为：γ＝60°。

3.根据权利要求1所述的LED路灯配光透镜，其特征在于：所述透镜的底部设有两固定脚。

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