CN101922676B - Led路灯大角度二次配光透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED路灯大角度二次配光透镜及其制造方法，该二次配光透镜又第一、第二配光透镜组成，其中第一配光透镜成半球面或椭圆形非球面，第二配光透镜成花生壳形非对称曲面并由主曲面及两端衔接的眩光消除曲面构成，根据实际路灯照明需求，通过曲面控制网络节点法线矢量的匹配法得出两种曲面上各点的法线矢量，结合对应入射光线在水平x、y方向与垂直光轴的夹角及经过两曲面后的出射光线的夹角符合关系从而获取两面的网格线轮廓，今儿构成完整的自由曲面。使得得到的二次配光透镜可将LED光束配成沿水平X方向成0°~±71°分布，沿Y方向成0°~±30°分布的均匀长方形光斑，有效消除水平眩光使其符合路面照明需求。

Description

LED路灯大角度二次配光透镜及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种LED灯光学透镜，尤其是指一种用于LED路灯的大角度二次配光透镜及其制造方法。

【背景技术】

LED(发光二极管)被誉为21世纪的绿色照明产品，由于其具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能环保、及体积小等特点，随着LED效率的不断提高及价格的下降，LED的应用领域也越来越广。最近几年，LED道路照明技术得到了迅速发展。良好的道路照明要求路灯的配光为长方形的光斑，将光能尽可能的集中到道路上，道路之外的光污染尽可能的少，而且要求不能对远方的车辆产生眩光。由于大部分LED光源的辐射角分布为圆型的、其半光强的角度为110度至120度的郎伯型(Lambertian distribution)分布，如果LED路灯不经过二次光学元件的配光，那么其在道路上的光斑也将为圆型的郎伯型分布，部分光会落在马路之外而损耗掉，而且会对远处的车辆产生眩光，与道路照明的要求不符。

另外，有些主干路上由于路灯安装的间距比较远，如灯距为50米或60米，现有的大部分LED路灯由于照射角度较小，沿道路方向的光束全角大约为120度，即使安装在12米高的灯杆，也很难对两灯之间的路面进行充分的照明。为了使两灯之间的区域能够得到充分的照明，需要采用大角度的LED配光透镜，譬如采用光束全角为135°～145°的。为了使LED路灯正下方和LED路灯之间的路面上的照度都差不多，LED路灯在做配光制造时还需要制造成蝙蝠翼形状的光强分布。蝙蝠翼形状的光强分布可以压制路灯正下方路面的光照度，增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。另外为了解决眩光的问题，现有透镜缺乏截光制造，其出射大角度光需在透镜作用下折射到较小角度，以符合路面照明要求。

【发明内容】

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种适用于路灯应用可有效解决灯距远问题。并将LED光二次配光成大角度均匀照射路面同时可将水平出射光的眩光有效消除的LED路灯二次配光透镜及其透镜制造方法。

本发明的目的是这样实现的：一种LED路灯大角度二次配光透镜，它包括第一配光透镜及包裹其外的第二配光透镜，其改进之处在于：所述第一配光透镜成半球面或椭圆形非球面，所述第二配光透镜成花生壳形非对称曲面，由主曲面及两端衔接的眩光消除曲面构成，其中主曲面位于垂直方向的光轴±71°范围内，LED光束配成沿水平X方向成0°～±71°分布，沿Y方向成0°～±30°分布的均匀长方形光斑，眩光消除曲面位于垂直方向的光轴夹角±71°～90°范围内，采用截光法配光制造，产生眩光的71°～90°范围之内的大角度光束，向路面中间汇聚，配成沿X方向成±71°～56°分布、沿Y方向成0°～±30°分布的光斑；

于配光透镜底部设有卡脚，卡脚底部设有用于装配的卡槽，卡脚上还设有阶沿；

所述卡脚边缘设有圆角，该卡脚的高度为1.5-3mm；

所述半球面第一配光透镜的曲率半径为3.4mm；

所述椭圆形非球面第一配光透镜的短轴曲率半径为3.4mm；

一种制造如权利要求1所述的LED路灯二次配光透镜的方法，其改进之处在于：第二配光透镜曲面通过如下方式得出

a)预设出射光线照射到路面上的是照射范围，并对其进行网格划分

主曲面：于路面的水平面的X方向与透镜的垂直光轴成±71°、在Y方向与透镜的光轴成±30°划定为照射范围；将该照射范围沿X和Y方向划分成等份的14×18个网格，同时将透镜的主曲面上在水平的X、Y方向也分成14×18个网格；

眩光消除曲面：于路面的水平面的X方向与透镜的垂直光轴成71°至55.51°、在Y方向与透镜的光轴成±30°划定为照射范围；将该照射范围沿X和Y方向划分成等份的14×2个网格，同时将透镜的主曲面上在水平的X、Y方向也分成14×2个网格；

b)获取曲面各点法线矢量

获取主曲面网格线轮廓

$\stackrel{\→}{N}=\frac{\∂P(x,y)}{\∂x}\×\frac{\∂P(x,y)}{\∂y}=\frac{(\mathrm{Px}\×\mathrm{Py})}{|\mathrm{Px}\×\mathrm{Py}|}$

式中x，y分别为预设出射光线照射到路面上目标位置T点的水平轴坐标值而x，y值的得出符合公式

式中N_x、N_y、N_Z为曲面出射点P的法线矢量

于水平x、y、垂直z方向的余弦，

n_O为空气的折射率、n_I为二次配光透镜所采用材料的折射率，

z为透镜到照射目标，即成品LED路灯的安装高度

p_x、p_y、p_Z为第二配光透镜曲面坐标点在P沿X、Y、Z轴方向的分量

I_x、I_y、I_Z为LED发出到达透镜曲面的入射光线于水平x、y、垂直z方向的余弦，

为预设出射光线照射到路面上目标位置T点的矢量表示，

为曲面出射点P的矢量表示；

通过计算机数学迭代法计算出所有曲面点对应法相矢量，从而得出主曲面及眩光消除曲面的各网格线的轮廓；

c)利用三维造型软件对主曲面进行蒙皮，从而生成透镜主曲面及眩光消除曲面；

d)将主曲面及眩光消除曲面用三维曲面建模软件连接，连接处的切平面均匀过渡，从而组成透镜的二次配光花生壳形曲面；

所述眩光消除曲面采用截光的方法进行制造，即把LED发出的沿X方向光束角为±71°至90°范围的会产生眩光的这部分光，向路面中间会聚，分布在沿X方向与光轴成±71°～55.51°的范围之内的路面上，以消除眩光；

其中±71°角的光线为边缘光线，其对应于路面上X方向的光斑的边缘，LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线，此时入射光线在X方向与光轴的夹角为-71°，经眩光消除曲面折射后，其出射光线与光轴的夹角也为-71°，投影在路面上形成左边-71°的光斑的边缘；LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线，此时入射光线与光轴的夹角为-90°，经眩光消除曲面折射后，其出射光线向路面中间会聚，出射光线与光轴的夹角变为-55.51°，在路面上形成左边-55.51°的光斑的边缘，同样，LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线经曲面13折射后，其出射光线对应于路面上形成右边71°及55.51°的光斑的边缘。

所述入射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角符合关系

所述入射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角符合关系

所述LED发出入射光经过主曲面后形成出射光，出射光在水平X方向光束角与透镜的垂直光轴成±71°、在Y方向与透镜的垂直光轴成±30°的照射范围；

所述入射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角符合关系

所述入射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角符合关系

本发明的有益效果在于提供了一种LED路灯大角度二次配光透镜，该二次配光透镜通过将包裹于第一配光透镜外的第二配光透镜设计成花生壳形，该花生壳第二配光透镜针对路灯实际需求设置成由垂直方向的光轴±71°范围内主曲面及两端衔接于垂直方向的光轴±71°～90°范围内的眩光消除曲面构成，从可使得其内LED发出光束在主曲面作用下配成沿水平X、Y方向成均匀长方形光斑，而水平方向产生眩光光束则在眩光消除曲面作用下向路面中间汇聚，从而满足了路灯照明的照度及安全需求，并符合相应路面要求。

本发明还提供了一种用于制造上述LED路灯大角度二次配光透镜的制造方法，该方法首先根据透镜实际使用状况对第二配光透镜的主曲面及眩光消除曲面对应设计的投射形成的光斑进行网格划分，而后获取曲面各点法线矢量，结合对应入射光线在水平x、y方向与垂直光轴的夹角及经过两曲面后的出射光线在水平x、y方向与垂直光轴的夹角符合关系从而获取两面的网格线轮廓，再利用三维造型软件对主曲面进行蒙皮，从而生成透镜主曲面及眩光消除曲面，最后将主曲面及眩光消除曲面用三维曲面建模软件连接，连接处的切平面均匀过渡，从而组成透镜的二次配光花生壳形曲面。

【附图说明】

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明透镜的立体结构示意图

图2为本发明透镜的侧视图

图3为本发明透镜的仰视图

图4为本发明透镜的俯视图

图5为本发明方法的数学模型示意图

图6为本发明方法的透镜第二配光曲面中主曲面网格划分示意图

图7为本发明方法的透镜第二配光曲面中主曲面在路面上的照射范围的网格划分示意图

图8为本发明方法的透镜第二配光曲面中眩光消除曲面网格划分示意图

图9为本发明方法的透镜第二配光曲面中眩光消除曲面在路面上的照射范围的网格划分示意图

图10为本发明透镜的第二配光曲面中主曲面X剖面的配光效果示意图

图11为本发明透镜的第二配光曲面中眩光消除曲面X剖面的配光效果示意图

图12为本发明透镜的第二配光曲面中主曲面Y剖面的配光效果示意图

【具体实施方式】

如图1-4所示，本发明涉及一种LED路灯二次配光透镜，它包括第一配光透镜4及包裹其外的第二配光透镜，所述第一配光透镜4成半球面或椭圆形非球面，当其成半球面时第一配光透镜4的曲率半径为3.4mm，成椭圆形非球面时，其椭圆的短轴曲率半径也取最佳为3.4mm。所述第二配光透镜成花生壳形非对称曲面，由主曲面11及两端衔接的眩光消除曲面12、13构成，其中主曲面11位于垂直方向的光轴±71°范围内，LED光束配成沿水平X方向成0°～±71°分布，沿Y方向成0°～±30°分布的均匀长方形光斑，眩光消除曲面12、13位于垂直方向的光轴夹角±71°～90°范围内，采用截光法配光制造，产生眩光的71°～90°范围之内的大角度光束，向路面中间汇聚，配成沿X方向成±71°～56°分布、沿Y方向成0°～±30°分布的光斑。

考虑到透镜使用时的安装方便，于配光透镜底部设有卡脚3，卡脚3通常高1.5-3mm，设置于透镜的两端，其底部设有用于装配的卡槽32，表面上设有阶沿31并于卡脚3边缘设有圆角。

本发明还涉及一种制造上述二次配光透镜的方法，第二配光透镜曲面通过如下方式得出

a)预设出射光线照射到路面上的是照射范围，并对其进行网格划分

主曲面：参见图5、6，于路面的水平面的X方向与透镜的垂直光轴成±71°、在Y方向与透镜的光轴成±30°划定为照射范围；将该照射范围沿X和Y方向划分成等份的14×18个网格，同时将透镜的主曲面上在水平的X、Y方向也分成14×18个网格；

如图7、8，所述LED发出入射光经过主曲面后形成出射光，出射光在水平X方向光束角与透镜的垂直光轴成±71°、在Y方向与透镜的垂直光轴成±30°的照射范围。

而对于主曲面，入射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角符合关系

主曲面上入射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角符合关系

眩光消除曲面：参见图9、10，于路面的水平面的X方向与透镜的垂直光轴成71°至55.51°、在Y方向与透镜的光轴成±30°划定为照射范围；将该照射范围沿X和Y方向划分成等份的14×2个网格，同时将透镜的主曲面上在水平的X、Y方向也分成14×2个网格；

如图8、11，所述眩光消除曲面采用截光的方法进行制造，即把LED发出的沿X方向光束角为±71°至90°范围的会产生眩光的这部分光，向路面中间会聚，分布在沿X方向与光轴成±71°～55.51°的范围之内的路面上，以消除眩光；

其中±71°角的光线为边缘光线，其对应于路面上X方向的光斑的边缘，LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线，此时入射光线在X方向与光轴的夹角为-71°，经眩光消除曲面折射后，其出射光线与光轴的夹角也为-71°，投影在路面上形成左边-71°的光斑的边缘；LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线，此时入射光线与光轴的夹角为-90°，经眩光消除曲面折射后，其出射光线向路面中间会聚，出射光线与光轴的夹角变为-55.51°，在路面上形成左边-55.51°的光斑的边缘，同样，LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线经曲面13折射后，其出射光线对应于路面上形成右边71°及55.51°的光斑的边缘。

所述入射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角符合关系

所述入射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角符合关系

b)获取曲面各点法线矢量

获取主曲面网格线轮廓

透镜的数学模型如图12所示，图中6为垂直光轴，光轴上的O点位于LED芯片发光面的中心，O点也同为第一配光透镜4的中心点。OZ垂直于LED的芯片发光面，入射光线OP由LED的芯片中心发出，经过第一配光透镜4之后，交第二配光透镜的主曲面11于P点，P点的坐标为P(x，y，z)，其矢量表示式为：

其中P_x，P_y，P_z为曲面坐标点在P沿X、Y、Z方向的分量，i，j，k为X、Y、Z方向的单位矢量表示

入射光线OP的单位矢量为

其单位矢量表示式为：

I、I_y、I_Z为LED发出到达透镜曲面的入射光线于水平x、y、垂直z方向的余弦

光线经P点折射后，其出射光线的单位矢量为

其单位矢量表示式为：

其中O_x，O_y，O_z分别为出射光线沿X、Y、Z方向的方向余弦P点的法线矢量为

其单位矢量表示式为：

式中N_x、N_y、N_Z为曲面出射点P的法线矢量

于水平x、y、垂直z方向的余弦，

根据斯涅尔折射定律(Snell Law)，入射光线、折射光线和法线的矢量形式有如下的关系：

式中n为透镜的材料的折射率预设出射光线照射到路面上目标位置点为T点，其矢量表示式为：

其中T_x，T_y，T_z为照射目标点T沿X、Y、Z方向的分量，则矢量

的关系如以下式子：

$\stackrel{\→}{O}=\frac{(\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{P})}{|\stackrel{\→}{T}-\stackrel{\→}{P}|},$

可以得出目标位置点T点的x，y坐标和P点坐标的关系式，如以下式子：

n_O为空气的折射率、n_I为二次配光透镜所采用材料的折射率，本发明中二次配光透镜的材料优选亚克力，其折射率为1.49

z为透镜到照射目标，即成品LED路灯的安装高度

p_x、p_y、p_Z为第二配光透镜曲面坐标点在P沿X、Y、Z轴方向的分量

为预设出射光线照射到路面上目标位置T点的矢量表示，

为曲面出射点P的矢量表示；

由于位于P点的曲面的法线向量为曲面上X和Y方向轮廓线函数的叉乘的导数。根据上式得出的P点的坐标向量，可以得出位于P点的曲面的法线向量，如以下所示：

$\stackrel{\→}{N}=\frac{\∂P(x,y)}{\∂x}\×\frac{\∂P(x,y)}{\∂y}=\frac{(\mathrm{Px}\×\mathrm{Py})}{|\mathrm{Px}\×\mathrm{Py}|}$

式中x，y分别为预设出射光线照射到路面上目标位置T点的水平轴坐标值

利用上述的关系式，结合曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法，可以计算出曲面上各个点的法线矢量，从而得出各点的轮廓线；

c)利用三维造型软件对主曲面进行蒙皮，从而生成透镜主曲面及眩光消除曲面；

d)将主曲面及眩光消除曲面用三维曲面建模软件连接，连接处的切平面均匀过渡，从而组成透镜的二次配光花生壳形曲面。

参见图11、12，通过对上述制造方法所生产的LED路灯二次配光透镜的模拟及光线追迹结果显示，当路灯高度为12米的时候，路灯在60米×12米的路面上可以产生非常均匀的配光。路灯的远场角度分布为蝙蝠翼形，辐射强度于水平面X方向的峰值光强的一半约为±71°，辐射强度于水平面Y方向的峰值光强的一半约为±30°。解决了一直以来原有LED不适于高距离路灯应用的缺陷，且LED灯通过本产品透镜后所投射的光场合理，光强均匀，各类眩光的均得到有效抑制及利用，值得推广应用。

Claims (10)

1.一种LED路灯大角度二次配光透镜，它包括第一配光透镜及包裹其外的第二配光透镜，其特征在于：所述第一配光透镜成半球面或椭圆形非球面，所述第二配光透镜成花生壳形非对称曲面，由主曲面及两端衔接的眩光消除曲面构成，其中主曲面位于垂直方向的光轴±71°范围内，LED光束配成沿水平X方向成0°～±71°分布，沿Y方向成0°～±30°分布的均匀长方形光斑，眩光消除曲面位于垂直方向的光轴夹角±71°～90°范围内，采用截光法配光制造，产生眩光的71°～90°范围之内的大角度光束，向路面中间汇聚，配成沿X方向成±71°～56°分布、沿Y方向成0°～±30°分布的光斑。

2.如权利要求1所述的LED路灯大角度二次配光透镜，其特征在于：于配光透镜底部设有卡脚，卡脚底部设有用于装配的卡槽，卡脚上还设有阶沿。

3.如权利要求2所述的LED路灯大角度二次配光透镜，其特征在于：所述卡脚边缘设有圆角，所述卡脚的高度为1.5-3mm。

4.如权利要求1所述的LED路灯大角度二次配光透镜，其特征在于：所述半球面第一配光透镜的曲率半径为3.4mm。

5.如权利要求1所述的LED路灯大角度二次配光透镜，其特征在于：所述椭圆形非球面第一配光透镜的短轴曲率半径为3.4mm。

6.一种制造如权利要求1所述的LED路灯二次配光透镜的方法，其特征在于：第二配光透镜曲面通过如下方式得出

a)预设出射光线照射到路面上的是照射范围，并对其进行网格划分

主曲面：于路面的水平面的X方向与透镜的垂直光轴成±71°、在Y方向与透镜的光轴成±30°划定为照射范围；将该照射范围沿X和Y方向划分成等份的14×18个网格，同时将透镜的主曲面上在水平的X、Y方向也分成14×18个网格；

眩光消除曲面：于路面的水平面的X方向与透镜的垂直光轴成71°至55.51°、在Y方向与透镜的光轴成±30°划定为照射范围；将该照射范围沿X和Y方向划分成等份的14×2个网格，同时将透镜的主曲面上在水平的X、Y方向也分成14×2个网格；

b)获取曲面各点法线矢量

获取主曲面网格线轮廓

$\stackrel{\→}{N}=\frac{\∂P(x,y)}{\∂x}\×\frac{\∂P(x,y)}{\∂y}=\frac{(\mathrm{Px}\×\mathrm{Py})}{|\mathrm{Px}\×\mathrm{Py}|}$

式中x，y分别为预设出射光线照射到路面上目标位置T点的水平轴坐标值而x，y值的得出符合公式

式中N_x、N_y、N_Z为曲面出射点P的法线矢量

于水平x、y、垂直z方向的余弦，

n_O为空气的折射率、n_I为二次配光透镜所采用材料的折射率，本发明中二次配光透镜的材料优选亚克力，其折射率为1.49

z为透镜到照射目标，即成品LED路灯的安装高度

p_x、p_y、p_Z为第二配光透镜曲面坐标点在P沿X、Y、Z轴方向的分量

I_x、I_y、I_Z为LED发出到达透镜曲面的入射光线于水平x、y、垂直z方向的余弦

为预设出射光线照射到路面上目标位置T点的矢量表示，

为曲面出射点P的矢量表示；

通过计算机数学迭代法计算出所有曲面点对应法相矢量，从而得出主曲面及眩光消除曲面的各网格线的轮廓；

c)利用三维造型软件对主曲面进行蒙皮，从而生成透镜主曲面及眩光消除曲面；

d)将主曲面及眩光消除曲面用三维曲面建模软件连接，连接处的切平面均匀过渡，从而组成透镜的二次配光花生壳形曲面。

7.如权利要求6所述的LED路灯二次配光透镜的制造方法，其特征在于：所述眩光消除曲面采用截光的方法进行制造，即把LED发出的沿X方向光束角为±71°至90°范围的会产生眩光的这部分光，向路面中间会聚，分布在沿X方向与光轴成±71°～55.51°的范围之内的路面上，以消除眩光；

其中±71°角的光线为边缘光线，其对应于路面上X方向的光斑的边缘，LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线，此时入射光线在X方向与光轴的夹角为-71°，经眩光消除曲面折射后，其出射光线与光轴的夹角也为-71°，投影在路面上形成左边-71°的光斑的边缘；LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线，此时入射光线与光轴的夹角为-90°，经眩光消除曲面折射后，其出射光线向路面中间会聚，出射光线与光轴的夹角变为-55.51°，在路面上形成左边-55.51°的光斑的边缘，同样，LED发出的光经过眩光消除曲面的轮廓线经曲面13折射后，其出射光线对应于路面上形成右边71°及55.51°的光斑的边缘。

8.如权利要求7所述的LED路灯二次配光透镜的制造方法，其特征在于：所述入射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角符合关系

所述入射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角符合关系

9.如权利要求6所述的LED路灯二次配光透镜的制造方法，其特征在于：所述LED发出入射光经过主曲面后形成出射光，出射光在水平X方向光束角与透镜的垂直光轴成±71°、在Y方向与透镜的垂直光轴成±30°的照射范围。

10.如权利要求9所述的LED路灯二次配光透镜的制造方法，其特征在于：所述入射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平x方向与垂直光轴的夹角符合关系

所述入射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角及经过眩光消除曲面后的出射光线在水平y方向与垂直光轴的夹角符合关系

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