CN101915391A - 一种偏光led配光透镜及led路灯 - Google Patents

Abstract

本发明属于LED照明领域，具体涉及一种偏光LED配光透镜及LED路灯，所述透镜包括本体，本体由基面、入光面和出光面围成，所述基面为透镜的底部平面，所述入光面设置在基面上，为凹入基面结构，所述出光面为曲面，定义出LED发出的光线通过配光透镜后理想情况的光强分布图，出光面轮廓曲线的XY离散点坐标值通过光强分布图、等式及初始条件由数学积分迭代法定义出。采用本发明所述LED的配光透镜的路灯，打在地面的光斑左右能量分布不对称，并向机动车道方向偏移，使机动车道上较亮，而人行道上较暗，更符合道路照明规范和实际使用情况，所以更合理。

Description

一种偏光LED配光透镜及LED路灯

技术领域

本发明属于LED照明领域，具体涉及一种偏光LED配光透镜及采用此配光透镜的LED路灯。

背景技术

LED作为一种新型光源具有节能高效等多种优势，但由于LED的配光为朗伯型，不符合道路照明应用的要求，因此需要一种二次配光透镜将LED的朗伯体配光转变成适合用于道路照明的配光曲线，而现有技术的做法是利用一个二次配光透镜，把光线配成一个均匀的矩形光斑，如专利号为200710123944.8、名称为“二次光学透镜”的中国发明专利，该专利公开了一种可以把光线配成一个均匀的矩形光斑的二次配光透镜，而且杂光损失少，出光率大幅提高，可有效控制出光光斑的形状。此种种透镜直接应用于路灯照明是太合适的，下面将结合路灯的实际安装来阐述不合适的原因。

情况一：请参考图1，路灯灯杆安装在路的二边，灯杆设有横向支架，路灯设置在横向支架上，路灯未设置仰角，在这种情况下，如果采用具有上述配光曲面的配光透镜，会造成人行道和机动车道上光斑的宽度和亮度是相同的，由于路灯的横向支架长度有限，而机动车道相对人行道宽很多，这样路灯发出的光将近一半照在人行道上，根据道路照明规范的要求，人行道部分的亮度相对于机动车道要低一半，所以造成浪费。

情况二：请参考图2，路灯灯杆安装在路的两边，灯杆设有横向支架，路灯设置在横向支架上，路灯设置有仰角，在这种情况下，如果直接采用具有上述配光曲面的配光透镜，会造成离路灯较近的人行道上较亮，而需要更高亮度的机动车道上较暗，而且有仰角的安装方式并不常 用，国际路灯通用安装方式为不设置仰角。

综上所述，该专利所公开的二次配光透镜用于路灯照明仍有较大改进空间。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种能够实现部分区域光线强、部分区域光线弱，更符合道路照明的LED偏光配光透镜及采用此配光透镜的LED路灯。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种偏光LED配光透镜，包括本体，本体由基面、入光面和出光面围成，所述基面为透镜的底部平面，所述入光面设置在基面上，为凹入基面结构，所述出光面为曲面；

定义本体的长度方向为X轴，并定义沿X轴方向光线是均匀分布的，定义本体的宽度方向为Y轴，并定义沿Y轴方向光线分布是一边亮度低，一边亮度高，所述出光面沿X轴或Y轴方向被分切成多个剖面，各个剖面的轮廓曲线的XY离散点坐标值由以下等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始条件及θ角的条件、并由数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述透镜底部平面的中心点；

所述X轴和Y轴方向的出光面各个剖面的轮廓曲线由以下公式定义：

sin(β_n-θ_n)*n’＝sin(α_n+90-β_n)      (1)

y_n/x_n＝tan(θ_n)                        (2)

(y_n-y_n-1)/(x_n-x_n-1)＝tan(β_n)          (3)

其中，θ为进入透镜的入射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角，其取值范围设为[θ₀，θ_n]，将θ₀～θ_n间的角度分成n等份，各等份相应角度为θ_n；与角度为θ_n的入射光线对应的透镜出射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角为α_n，其取值范围设为[α₀，α_n]；LED配光透镜本体材料的折射率为n’；设θ_n、α_n对应的轮廓曲线上的点为(x_n，y_n)，设轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴或Y轴正半轴的夹角为β_n，定义X轴轮廓曲线时，θ为 进入透镜的入射光线与X轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和X轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴正半轴的夹角，定义Y轴轮廓曲线时，θ为进入透镜的入射光线与Y轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和Y轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与Y轴正半轴的夹角；

所述出光面是根据X轴或Y轴方向上的各个剖面的轮廓曲线连成。

其中，所述透镜本体基面上设有卡口。

其中，所述透镜为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。

本发明同样公开了一种LED路灯，包括LED灯和配光透镜，所述配光透镜包括本体，本体由基面、入光面和出光面围成，所述基面为透镜的底部平面，所述入光面设置在基面上，为凹入基面结构，所述LED灯设置在入光面内，所述出光面为曲面；

定义本体的长度方向为X轴，并定义沿X轴方向光线是均匀分布的，定义本体的宽度方向为Y轴，并定义沿Y轴方向光线分布是一边亮度低，一边亮度高，所述出光面沿X轴或Y轴方向被分切成多个剖面，各个剖面的轮廓曲线的XY离散点坐标值由以下等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始条件及θ角的条件、并由数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述透镜底部平面的中心点；

所述X轴和Y轴方向的出光面各个剖面的轮廓曲线由以下公式定义：

sin(β_n-θ_n)*n’＝sin(α_n+90-β_n)        (1)

y_n/x_n＝tan(θ_n)                          (2)

(y_n-y_n-1)/(x_n-x_n-1)＝tan(β_n)            (3)

其中，θ为进入透镜的入射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角，其取值范围设为[θ₀，θ_n]，将θ₀～θ_n间的角度分成n等份，各等份相应角度为θ_n；与角度为θ_n的入射光线对应的透镜出射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角为α_n，其取值范围设为[α₀，α_n]；LED配光透镜本体材料的折射率为n’；设θ_n、α_n对应的轮廓曲线上的点为(x_n，y_n)，设轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴或Y轴正半轴的夹角为β_n，定义X轴轮廓曲线时，θ为 进入透镜的入射光线与X轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和X轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴正半轴的夹角，定义Y轴轮廓曲线时，θ为进入透镜的入射光线与Y轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和Y轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与Y轴正半轴的夹角；

所述曲面是根据X轴或Y轴方向上的各个剖面的轮廓曲线连成。

其中，所述透镜本体基面上设有卡口。

其中，所述透镜为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。

本发明的有益效果是：采用本发明所述LED的配光透镜的路灯，采用无仰角安装，其打在地面的光斑左右能量分布不对称，并向机动车道方向偏移，使机动车道上较亮，而人行道上较暗，更符合道路照明规范和实际使用情况，所以更合理。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是现有技术中LED配光透镜应用于路灯的具体情况一；

图2是现有技术中LED配光透镜应用于路灯的具体情况二；

图3是本发明采用的LED光源能量空间分布曲线图；

图4是本发明采用的LED光源发出的光线经过配光透镜后，在X轴的能量分布图；

图5是本发明采用的LED光源发出的光线经过配光透镜后，在Y轴的能量分布图；

图6是本发明LED配光透镜X轴方向各个剖面的曲线连接而成的透镜曲面图；

图7是本发明LED配光透镜单颗透镜正视图；

图8是本发明LED配光透镜单颗透镜A-A向视图；

图9是本发明LED配光透镜单颗透镜B-B向视图；

图10是本发明LED配光透镜单颗透镜极坐标配光曲线；

图11是本发明LED配光透镜应用于路灯的具体情况；

图12是采用本发明LED路灯无仰角安装时打在地面的光斑图；

图13是本发明LED配光透镜3D光强分布图；

图14是本发明LED配光透镜模组透镜正视图；

图15是本发明LED配光透镜模组透镜前视图；

图16是本发明LED配光透镜模组透镜侧视图；

图17是本发明LED配光透镜模组透镜的装配示意图。

其中，1、机动车道；2、人行道；3、灯杆；4、横向支架；5、路灯；6、配光透镜；61、基面；62、入光面；63、出光面；7、LED光源。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

作为本发明LED配光透镜的实施例，请参阅图3至图17，包括本体，本体由基面61、入光面62和出光面63围成，所述基面61为透镜的底部平面，所述入光面62设置在基面61上，为凹入基面结构，用于放置LED光源，所述出光面63为曲面，定义本体的长度方向为X轴，并定义沿X轴方向光线是均匀分布的，定义本体的宽度方向为Y轴，并定义沿Y轴方向光线分布是一边亮度低，一边亮度高。安装路灯时，X轴与道路长度方向平行，Y轴与道路宽度方向平行，所述出光面沿X轴或Y轴方向被分切成多个剖面，各个剖面的轮廓曲线的XY离散点坐标值通过以下的等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始条件及θ角的条件由数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述基面的中心点；

X轴方向的出光面曲线推导如下：首先确定LED光源，然后测量LED光源其能量在空间的分布曲线，在X轴的能量分布设为wx(θ)，θ为经LED的出射光线与X轴正半轴的夹角，其取值范围设为[θ₀，θ_n]，其定义如图3所示。

由于配光透镜是用于路灯照明，沿道路长度方向光线理想情况应该是均匀分布的，定义本体的长度方向为X轴，安装路灯时，X轴与道路长度方向平行，具体定义如图4所示，LED的光在经过透镜后，在X轴 的能量分布为ρx(α)，与角度为θ_n的入射光线对应的透镜出射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角为α_n，其取值范围设为[α0，αn]。

将θ0～θn间的角度分成n等份，各等份对应的角度分别是θ0、θ1、θ2、θ3...θn，根据之前对LED的空间能量的测量数据，我们可以查得：

其对应的能量分布分别是wx(θ0)；wx(θ1)；wx(θ2)...wx(θn)，

再将上述各等份均分为m等份，分别为：

θ0、θ01、θ02、θ03、...θ0m

θ1、θ11、θ12、θ13、...θ1m

...

θn-1、θ(n-1)1、θ(n-1)2、θ(n-1)3、......θ(n-1)m

其对应的能量分布分别是：

wx(θ0)；wx(θ01)；wx(θ02)...wx(θ0m)

wx(θ1)；wx(θ11)；wx(θ12)...wx(θ1m)

...

wx(n-1)；wx[θ(n-1)1]；wx[θ(n-1)2]...wx[θ(n-1)m]

根据之前附图4对LED在X轴的空间能量理想情况的定义，量测出各个点的能量分布数据。

将N等份的各等份的能量求和可得：

...

$W0=\underset{0}{\overset{0m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wx}\left(\mathrm{\θ}\right);$

$W1=\underset{1}{\overset{1m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wx}\left(\mathrm{\θ}\right);$

$W(n-1)=\underset{n-1}{\overset{(n-1)m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wx}\left(\mathrm{\θ}\right);$

设总能量为S＝W0+W1+W2+...W(n-1)

则各组份在总能量中所占的比例为：

η0＝W0/S；

η1＝W1/S；

η(n-1)＝W(n-1)/S；

而经过透镜后光的能量分布我们已知为ρx(α)，则我们可以求出α0、α1、α2、α3...........αn，其中α0 αn为已知，使得：

.......

$\frac{\underset{\mathrm{\α}0}{\overset{\mathrm{\α}1}{\∫}}\mathrm{\ρx}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}{\underset{\mathrm{\α}0}{\overset{\mathrm{\αn}}{\∫}}\mathrm{\ρx}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}=\mathrm{\η}0$

$\frac{\underset{\mathrm{\α}1}{\overset{\mathrm{\α}2}{\∫}}\mathrm{\ρx}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}{\underset{\mathrm{\α}0}{\overset{\mathrm{\αn}}{\∫}}\mathrm{\ρx}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}=\mathrm{\η}1$

$\frac{\underset{\mathrm{\α}(n-1)}{\overset{\mathrm{\αn}}{\∫}}\mathrm{\ρx}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}{\underset{\mathrm{\α}0}{\overset{\mathrm{\αn}}{\∫}}\mathrm{\ρx}\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{d\α}}=\mathrm{\η}(n-1)$

已知出射光线的角度θ0、θ1、θ2、θ3...θn，及折射光线的角度α0、α1、α2、α3...αn；LED配光透镜本体材料的折射率n’；曲线起始点为(x0，y0)自设；设我们需要求的θ1、α1对应的轮廓曲线上的点为(x₁，y₁)，设曲线在(x₁，y₁)的切线与正半轴的夹角为β1，设θ₂、α₂对应的轮廓曲线上的点为(x₂，y₂)，设轮廓曲线在(x₂，y₂)的切线与X轴正半轴的夹角为β₂，...，设θ_n、α_n对应的轮廓曲线上的点为(x_n，y_n)，设轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴或Y轴正半轴的夹角为β_n；则根据折射公式可列出下列方程组：

sin(β₁-θ₁)*n’＝sin(α₁+90-β₁)       (1)

y₁/x₁＝tan(θ₁)                         (2)

(y₁-y₀)/(x₁-x₀)＝tan(β₁)               (3)

由上列方程我们可以求得(x₁，y₁)，运用相同的迭代方法可以求出(x₂，y₂)...(x_n，y_n)，将此系列点连成光曲线即为我们求的X轴方向的曲线。

由于配光透镜是用于路灯照明，沿道路宽度方向光线理想情况应该是人行道上亮度低，机动车道上亮度高，具体定义如图5所示，定义本 体的宽度方向为Y轴，安装路灯时，Y轴与道路宽度方向平行，LED的光在经过透镜后，在Y轴的能量分布为ρy(α)，与角度为θ_n的入射光线对应的透镜出射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角为α_n，，其取值范围设为[α0，αn]，根据已知的LED出光能量分布及透镜在Y轴方向的配光，我们采用同样的数学积分迭代方法求出Y轴方向的曲线，以及将在Y轴方向旋转一定角度的各个剖面的轮廓曲线，将其连成曲面，即得到LED配光透镜的整个曲面，如图6所示。

图7至图9所示的是本发明LED配光透镜单颗透镜是利用上述公式定义并构建透镜曲面的具体实施例，所述透镜为PMMA(亚克力)透镜、PC(聚碳酸酯)透镜或玻璃透镜，该透镜X轴为长轴，Y轴为短轴，并且沿短轴方向看，透镜是左右对称的，可以将光斑拉长，使沿道路长度方向配光均匀，具体可见图10中C0-C180曲线所示；沿长轴方向看，透镜是不对称的，以短轴的中垂线为界，把光线分为二个区域C和D，将光配成两边的偏角不一样，导致左右能量分布不对称，光线能量C区弱D区强，C区对应的是人行道，D区对应的是机动车道，具体可见图10中C90-C270配光曲线所示。

采用本发明所述LED的配光透镜的路灯，包括LED灯和配光透镜，所述配光透镜采用上述的配光透镜，路灯采用无仰角安装，其打在地面的光斑左右能量分布不对称，并向机动车道方向偏移，使机动车道上较亮，而人行道上较暗，更符合道路照明规范和实际使用情况，所以更合理。

图11本发明LED路灯实施例在无仰角安装时的情况，此时路灯打在地面的光斑如图12所示，透镜3D光强分布图如图13所示。

图14至图17所示的是本发明LED配光透镜做成模组形式的结构和路灯装配示意图，所述透镜模组由多颗配光透镜阵列成一个整体，每颗配光透镜对应一个LED光源，所述透镜本体基面上设有用于把透镜固定在LED灯上的卡口，所述卡口可与LED光源上的安装孔相配合。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种偏光LED配光透镜，其特征在于：包括本体，本体由基面、入光面和出光面围成，所述基面为透镜的底部平面，所述入光面设置在基面上，为凹入基面结构，所述出光面为曲面；

定义本体的长度方向为X轴，并定义沿X轴方向光线是均匀分布的，定义本体的宽度方向为Y轴，并定义沿Y轴方向光线分布是一边亮度低，一边亮度高，所述出光面沿X轴或Y轴方向被分切成多个剖面，各个剖面的轮廓曲线的XY离散点坐标值由以下等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始条件及θ角的条件、并由数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述透镜底部平面的中心点；

所述X轴和Y轴方向的出光面各个剖面的轮廓曲线由以下公式定义：

sin(β_n-θ_n)*n’＝sin(α_n+90-β_n)     (1)

y_n/x_n＝tan(θ_n)                       (2)

(y_n-y_n-1)/(x_n-x_n-1)＝tan(β_n)         (3)

其中，θ为进入透镜的入射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角，其取值范围设为[θ₀，θ_n]，将θ₀～θ_n间的角度分成n等份，各等份相应角度为θ_n；与角度为θ_n的入射光线对应的透镜出射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角为α_n，其取值范围设为[α₀，α_n]；LED配光透镜本体材料的折射率为n’；设θ_n、α_n对应的轮廓曲线上的点为(x_n，y_n)，设轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴或Y轴正半轴的夹角为β_n；定义X轴轮廓曲线时，θ为进入透镜的入射光线与X轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和X轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴正半轴的夹角，定义Y轴轮廓曲线时，θ为进入透镜的入射光线与Y轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和Y轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与Y轴正半轴的夹角；

所述出光面是根据X轴或Y轴方向上的各个剖面的轮廓曲线连成。

2.根据权利要求1所述的偏光LED配光透镜，其特征在于：所述透镜本体基面上设有卡口。

3.根据权利要求1所述的偏光LED配光透镜，其特征在于：所述透镜为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。

4.一种LED路灯，包括LED灯和配光透镜，其特征在于：所述配光透镜包括本体，本体由基面、入光面和出光面围成，所述基面为透镜的底部平面，所述入光面设置在基面上，为凹入基面结构，所述LED灯设置在入光面内，所述出光面为曲面；

定义本体的长度方向为X轴，并定义沿X轴方向光线是均匀分布的，定义本体的宽度方向为Y轴，并定义沿Y轴方向光线分布是一边亮度低，一边亮度高，所述出光面沿X轴或Y轴方向被分切成多个剖面，各个剖面的轮廓曲线的XY离散点坐标值由以下等式(1)、等式(2)、等式(3)、初始条件及θ角的条件、并由数学积分迭代法算出，其坐标原点为所述透镜底部平面的中心点；

所述X轴和Y轴方向的出光面各个剖面的轮廓曲线由以下公式定义：

sin(β_n-θ_n)*n’＝sin(α_n+90-β_n)        (1)

y_n/x_n＝tan(θ_n)                          (2)

(y_n-y_n-1)/(x_n-x_n-1)＝tan(β_n)            (3)

其中，θ为进入透镜的入射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角，其取值范围设为[θ₀，θ_n]，将θ₀～θ_n间的角度分成n等份，各等份相应角度为θ_n；与角度为θ_n的入射光线对应的透镜出射光线与X轴或Y轴正半轴的夹角为α_n，其取值范围设为[α₀，α_n]；LED配光透镜本体材料的折射率为n’；设θ_n、α_n对应的轮廓曲线上的点为(x_n，y_n)，设轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴或Y轴正半轴的夹角为β_n，定义X轴轮廓曲线时，θ为进入透镜的入射光线与X轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和X轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与X轴正半轴的夹角，定义Y轴轮廓曲线时，θ为进入透镜的入射光线与Y轴正半轴的夹角，α为透镜出射光线和Y轴正半轴的夹角，β为轮廓曲线在(x_n，y_n)的切线与Y轴正半轴的夹角；

所述出光面是根据X轴或Y轴方向上的各个剖面的轮廓曲线连成。

5.根据权利要求4所述的LED路灯，其特征在于：所述透镜本体基面上设有卡口。

6.根据权利要求4所述的LED路灯，其特征在于：所述透镜为PMMA透镜、PC透镜或玻璃透镜。

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