CN101504123A - 用于led室内灯具的透镜及包含该透镜的格栅灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜的格栅灯，所述透镜的底面中部设有用于容纳LED的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，该半球面为所述灯光入射面；透镜的灯光出射面为自由曲面；所述格栅灯包括灯盘、散热器、栅格架、驱动电源、LED和透镜，多个LED贴装在散热器底面，透镜安装散热器底面上，且LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底部的半球形凹坑内，散热器的两端设有用于安装灯盘的螺孔；所述灯盘的底座上设有多个灯孔，每个LED及透镜穿过灯孔并伸到灯盘里面，在灯盘的底面设置格栅架。采用所述透镜后，可合理控制光线分布使光斑呈圆形，且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光。

Description

用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜的格栅灯

技术领域

本发明涉及LED灯技术领域，具体涉及用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜的格栅灯。

背景技术

LED作为新一代照明技术，代替白炽灯、卤钨灯、荧光灯、金卤灯等传统灯具的趋势日益明显，但由于室内照明直接影响着人们眼睛的健康，所以对室内灯具光的质量的要求比较高，而LED本身发出的光其分布近似为朗伯型，即发光强度随角度变化呈余弦分布，在目标平面上形成的光斑通常是一个不均匀的圆斑：中心处很亮，而在径向衰减很快，所以很不适合直接作光源来使用，而且由于其眩光问题的存在，如果直接作为光源使用，会对眼睛会造成很大的伤害，所以需要对LED做二次配光设计才能作为照明光源使用。

授权公告号CN 2908987Y的格栅灯设计是利用漫反射膜来解决眩光问题，但光能利用率低，光能损失比较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜的格栅灯。本发明采用如下技术方案：

一种LED室内灯具用的透镜，优选地，所述透镜由透明材料制成，透明材料为PC或PMMA。透镜包括入射面及出射面。所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，构成所述的入射面；透镜的外表面是自由曲面，构成出射面。该自由曲面的形状由如下方法确定：

以过该透镜中心轴的截面为基准面，为建立坐标系，中心轴为Z轴，垂直于中心轴的方向为X轴，因为透镜最终实现的是在目标平面上的均匀圆形光斑，所以可知透镜为中心轴对称形状。因此我们只需要求出自由曲面在XZ平面上所对应的曲线，然后将其绕Z轴旋转一周即可得到所需的自由曲面。

具体步骤：

(1)由能量守恒求出最大照射半径。

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^R\mathrm{Prdr}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}I\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φd\φ}$ 其中P为目标平面的光照度，R为最大照射半径，I为LED中心光强，φ为LED出射光线与Z轴的夹角。

φ的范围为[0，π/2]，I的取值由于所使用的LED而定；

(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与夹角φ的关系式。

$\frac{\mathrm{\πI}(1-{\cos }^2\mathrm{\φ})}{\mathrm{\πI}(1-{\cos }^2\mathrm{\π}/2)}=\frac{P\×\mathrm{\π}\×{\mathrm{xd}}^2}{P\×\mathrm{\π}\×R^2}$ 其中xd为夹角为φ的光线经透镜折射后照射到目标平面所对应的点的X轴坐标。

可以得到： $\mathrm{xd}=R\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\φ}}$

(3)由折射公式求出曲线上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。

步骤如下：

折射公式为： ${[1+n^2-2n(o\stackrel{\→}{u}t\·i\stackrel{\→}{n})]}^{1/2}\stackrel{\→}{N}=o\stackrel{\→}{u}t-\mathrm{ni}\stackrel{\→}{n}$

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量。

首先将目标平面X轴方向上[0，R]的区间划分为m等分，分别为xd[1]到xd[m]，对应于光线与Z轴的夹角为φ[1]到φ[m]，可以通过步骤2求出φ[1]到φ[m]。以沿着z轴正向的光线为起始光线，假设照射高度为h，透镜自由曲面的中心距离LED的距离为d，则由这两点的坐标可通过折射公式求出起始点的法向量N[1](Nx[1]，Ny[1]，Nz[1])。

由法向量和起始点坐标求出切线为z—d＝0，此为1式；角度为φ[2]的直线方程为：z＝cot(φ[2])x此为2式；起始点即第1点的坐标为(0，d)；

由上面1式和2式所得的两直线相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x[2]，z[2])；

以此类推：第m点所对应的直线方程为z＝cot[φ[m]]x，所对应的切线方程为Nx[m-1](x-x[m-1])+Nz[m-1](z-z[m-1])＝0

(4)由第3步可得到曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合可以得到所要曲线，然后将曲线绕z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。

把通过步骤(3)计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，先选定好旋转轴，然后把曲线绕轴旋转一周，即得所需要的自由曲面。其特征在于m的取值越大，步骤(3)得到所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。

本发明另外还提供如下技术方案：一种LED格栅灯，包括灯盘，散热器，栅格架，外插式恒流驱动电源，LED光源及透镜。

LED采用贴片式白光大功率LED，LED通过用高导热胶均匀贴装在散热器底面，在每个LED上面放置透镜，LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底面的半球凹面内，透镜透过硅胶扣在散热器上。每条散热器的俩端有螺孔，与灯盘之间通过螺杆固定，灯盘的底座根据LED排列位置钻孔，能够让散热器上的LED及其外置的透镜伸到灯盘里面，在灯盘的底面放置格栅，每一个栅格对应一个LED以及透镜，栅格的侧面为倾斜的梯形平面，此平面与灯盘底面的夹角为三十度，这样LED的光线经过透镜折射出射后，不会被栅格的侧面反射，所以栅格只起到防眩光的作用，而没有影响LED灯具的光照均匀性。格栅的侧面设置弹簧钩，与格栅灯盘的侧面连接。散热器设有若干散热鳍片。

本发明具有如下有益效果：本发明提供一种LED室内灯具所用透镜，通过透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域称为一圆形均匀照明面，从而使LED灯具能符合室内照明的光分布与照度要求；提供一种包含此透镜的LED格栅灯，其照度均匀性良好，无眩光，对眼睛无伤害。采用所述透镜后，合理控制光线分布使光斑呈圆形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光，光线柔和，室内光效给人感觉舒适，可以广泛用于室内家居，或者办公场所照明，是一种绿色、节能、环保的照明产品。

附图说明

图1为实施方式中透镜立体图；

图2为求解透镜自由曲面的坐标系原理图；

图3为计算机拟合曲线图；

图4为过透镜中心轴的截面图；

图5为格栅灯中LED、透镜、散热器的安装关系示意图；

图6为单个栅格尺寸示意图；

图7为中栅格架示意图；

图8为格栅灯侧视图；

图9为格栅灯正视图；

图10为格栅灯后视图；

图11为格栅灯立体图；

图12为实施方式中格栅灯的光强分布图；

图13为实施方式中照射目标平面的照度分布图；

图14为实施方式中目标平面上圆形光照区直径方向上的照度值分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细描述。

室内照明光源易被人眼直视，因此要求其发光面尽可能柔和、均匀、不刺眼；另一方面，室内照明光源需要有相当的发散角，尤其是室内主光源，其照明范围大，通常发散角要大于120°。为实现这些要求同时保证光源光能的充分利用，必须使LED发出的光均匀发散到目标平面上，而且目标区域没有突出的亮点才可以满足应用。这样的话，假设要照射的目标平面距离灯具为2米，那么它的照射区域至少为半径3.5米的圆形均匀光斑。如图1与图4所示，透镜包括入射面101及出射面102。所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面101，构成所述的入射面；透镜的外表面是自由曲面102，构成出射面。所述透镜采用透光性能非常好的透明材料制成，如PC或PMMA。

透镜的设计方法如下：

建立如图2所示的坐标系，因为透镜最终实现的是在目标平面上的均匀圆形光斑，所以可知透镜为中心轴对称形状。因此我们只需要求出XZ平面上所对应的曲线201然后将其绕Z轴旋转一周即可得到所需的曲面。

具体步骤：

(1)由能量守恒求出最大照射半径。

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^R\mathrm{Prdr}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}I\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φd\φ}$ 其中P为目标平面205的光照度，R为最大照射半径，I为LED中心光强，φ为LED出射光线与Z轴的夹角。

例如选用cree公司的一款发光通量为100lm，光强分布为朗波分布的芯片，它的中心光强I为31.8cd，若LED照射到平面上的目标半径为3.5m，则目标平面均匀的光照度为2.6lux。

(2)通过能量对应关系求出目标平面205上的点与夹角φ的关系式。

$\frac{\mathrm{\πI}(1-{\cos }^2\mathrm{\φ})}{\mathrm{\πI}(1-{\cos }^2\mathrm{\π}/2)}=\frac{P\×\mathrm{\π}\×{\mathrm{xd}}^2}{P\×\mathrm{\π}\×R^2}$ 其中xd为夹角为φ的光线经透镜折射后照射到目标平面205所对应的的点的X轴坐标。

可以得到： $\mathrm{xd}=R\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\φ}}$

(3)由折射公式求出曲线201上点的法向量，利用这个法向量求得切线202，通过求切线与入射光线203的交点得到曲线上点的坐标。

步骤如下：

折射公式为： ${[1+n^2-2n(o\stackrel{\→}{u}t\·i\stackrel{\→}{n})]}^{1/2}\stackrel{\→}{N}=o\stackrel{\→}{u}t-\mathrm{ni}\stackrel{\→}{n}$

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量。

首先将目标平面X轴方向上[0，R]的区间划分为m等分，分别为xd[1]到xd[m]，对应于光线与Z轴的夹角为φ[1]到φ[m]，可以通过步骤2求出φ[1]到φ[m]。以沿着Z轴正向的光线为起始光线，假设照射高度为h，透镜自由曲面的中心距离LED的距离为d，则由这两点的坐标可通过折射公式求出起始点的法向量N[1](Nx[1]，Ny[1]，Nz[1])。

由法向量和起始点坐标求出切线为z—d＝0，此为1式；角度为φ[2]的直线方程为：z＝cot(φ[2])x此为2式；起始点即第1点的坐标为(0，d)；

由上面1式和2式所得的两直线相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x[2]，z[2])；

以此类推：第m点所对应的直线方程为z＝cot[φ[m]]x，所对应的切线方程为Nx[m-1](x-x[m-1])+Nz[m-1](z-z[m-1])＝0。

例：若透镜中心距离目标平面的距离为2.5m，LED距离透镜中心的距离d为0.02m。将目标半径划分为100份，则xd[1]到xd[100]就由0m增至3.5m，单位步长为0.035m，初始角φ[1]为0°。由法向量和起始点坐标可以求出切线为z—0.02＝0此为1式；角度为φ[2]的直线方程为：z＝cot(φ[2])x此为2式；由xd[2]＝xd[1]+0.035＝0.035m，可以通过步骤(2)求出φ[2]＝0.001。由上面1，2两式所得的俩直线相交，其交点就是曲线201上第2点的坐标(x[2]，z[2])为(0.000201，0.02)；

(4)由第3步可得到曲线上离散的点坐标，如图3所示，通过计算机拟合可以得到所要曲线301，然后将曲线绕z轴旋转一周可得到最终的自由曲面102。

把通过步骤3计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，先选定旋转轴，然后把曲线绕轴旋转一周，即得所需要的自由曲面102。m的取值越大，步骤(3)得到所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。

通过透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域称为一圆形均匀照明面，从而使LED灯具能符合室内照明的光分布与照度要求。

透镜应用于格栅灯：

如图5～图11所示，本发明还提供了一种LED格栅灯，包括灯盘503，散热器504，栅格架505，外插式恒流驱动电源506，LED501光源及透镜502。

如图5与图9，图11所示，LED采用贴片式大功率白光LED501，LED通过用高导热胶均匀贴装在散热器504底面，LED之间通过电路串联，在每个LED上面放置透镜502，LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底面的半球凹面101内，透镜的结构如图1～图4所述完全相同，在此不再重复，透镜透过硅胶扣在散热器504上。每条散热器的俩端有螺孔507，散热器设有若干散热鳍片510，与灯盘503之间通过螺杆固定，灯盘503的底座根据LED排列位置钻孔508，能够让散热器504上的LED及其外置的透镜伸到灯盘503里面，在灯盘的底面放置栅格架505，每一个栅格对应一个LED以及透镜。

如图6～图7所示，栅格的深度为50mm，栅格的侧面508为倾斜的梯形平面，此平面与灯盘底面的夹角为三十度，这样LED的光线经过透镜折射出射后，不会被栅格的侧面反射，所以栅格只起到防眩光的作用，而没有影响LED灯具的光照均匀性。

如图8，图10所示，恒流驱动电源506固定在灯盘底面顶部的俩条散热器之间。

格栅的侧面设置弹簧钩，与格栅灯盘的侧面连接。

图12-14为LED按照如上所述的方式放置了透镜后的光照效果图，图12中的曲线为在目标平面上的光强分布图，图13表示目标平面上的光分布为圆形斑，图14为圆形斑直径上的光照度的曲线图，可以看出曲线上端比较平坦，代表均匀性比较好。所以可以看出，通过采用上述技术方案后，而能合理控制光线分布使光斑呈圆形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光，光线柔和，室内光效给人感觉舒适，可以广泛用于室内家居，或者办公场所照明，是一种绿色、节能、环保的照明产品。

Claims (9)

1、用于LED室内灯具的透镜，包括灯光入射面、灯光出射面和环形底面，其特征在于透镜的底面中部设有用于容纳LED的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，该半球面为所述灯光入射面；透镜的灯光出射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定：

所述透镜为中心轴对称形状，所述凹坑的中心轴为透镜的中心轴，以过该透镜中心轴的截面为基准面，建立坐标系，其中，中心轴为Z轴，原点在中心轴且与中心轴垂直的方向为X轴，通过将所述自由曲面在XZ平面上所对应的曲线绕Z轴旋转一周即得到自由曲面的形状；

所述曲线通过如下步骤确定：

(1)由能量守恒求出最大照射半径：

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^R\mathrm{Prdr}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}I\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φd\φ},$ 其中P为目标平面的光照度，R为最大照射半径，I为LED中心光强，φ为LED出射光线与Z轴的夹角；

(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与夹角φ的关系式：

$\frac{\mathrm{\πI}(1-{\cos }^2\mathrm{\φ})}{\mathrm{\πI}(1-{\cos }^2\mathrm{\π}/2)}=\frac{P\×\mathrm{\π}\×{\mathrm{xd}}^2}{P\×\mathrm{\π}\×R^2}$ 其中xd为夹角为φ的光线经透镜折射后照射到目标平面所对应的点的X轴坐标，

求得 $\mathrm{xd}=R\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\φ}};$

(3)由折射公式求出所述曲线上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，

所述折射公式为： ${[1+n^2-2n(o\stackrel{\→}{\mathrm{ut}}\·i\stackrel{\→}{n})]}^{1/2}\stackrel{\→}{N}=o\stackrel{\→}{u}t-\mathrm{ni}\stackrel{\→}{n},$ 其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量；

(4)由步骤(3)得到所述曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合得到所述曲线，然后将所述曲线绕Z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。

2、根据权利要求1所述的用于LED室内灯具的透镜，其特征在于步骤(3)中通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标包括如下步骤：

首先将目标平面X轴方向上[0，R]的区间划分为m等分，分别为xd[1]到xd[m]，对应于光线与Z轴的夹角为φ[1]到φ[m]，通过所述步骤(2)求出φ[1]到φ[m]；

再以沿着Z轴正向的光线为起始光线，若照射高度为h，自由曲面的中心距离LED的距离为d，则由这两点的坐标再通过折射公式求出起始点的法向量N[11(Nx[1]，Ny[1]，Nz[1])；由法向量和起始点坐标求出切线为z—d＝0，此为1式；角度为φ[2]的直线方程为：z＝cot(φ[2])x，此为2式；起始点即第1点的坐标为(0，d)；由1式和2式所得的两直线相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x[2]，z[2])；

依照上述方法，求出第m点所对应的直线方程为z＝cot[φ[m]]x，所对应的切线方程为Nx[m-1](x-x[m-1])+Nz[m-1](z-z[m-1])＝0；第m点的坐标为(x[m]，z[m])。

3、根据权利要求1所述的用于LED室内灯具的透镜，其特征在于m的取值越大，步骤(3)得到所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。

4、根据权利要求1所述的用于LED室内灯具的透镜，其特征在于，所述φ的大小为0～π/2。

5、根据权利要求1所述的用于LED室内灯具的透镜，其特征在于步骤(4)中把步骤(3)计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，生成所述曲线，选定好旋转轴，把曲线绕轴旋转一周，即得所述自由曲面。

6、包含权利要求1～5任一项所述的透镜的格栅灯，包括灯盘、散热器、栅格架、驱动电源、多个LED和透镜，其特征在于多个LED通过导热胶均匀排列贴装在散热器底面，每个LED均外套有一透镜，透镜安装散热器底面上，且LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底部的半球形凹坑内，散热器的两端设有用于安装灯盘的螺孔；所述灯盘的底座上设有多个灯孔，每个LED及透镜穿过灯孔并伸到灯盘里面，在灯盘的底面设置格栅架，每一个栅格对应一个LED及其套有的所述透镜。

7、根据权利要求6所述的格栅灯，其特征在于所述栅格的内腔为正四棱台型，正四棱台的上顶面靠近灯盘的底面。

8、根据权利要求7所述的格栅灯，其特征在于所述正正四棱台的上顶面与灯盘的底面夹角为30°栅格的深度为50mm。

9、根据权利要求6所述的格栅灯，其特征在于所述LED采用贴片式白光大功率LED，所述驱动电源采用外插式恒流驱动电源。

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