CN102691972B - 成矩形光斑的led二次光学系统、led光源化模组及led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近似矩形光斑的LED二次光学系统、阵列及其光源化模组。该光学系统由LED发光体、反光器、透镜组成。反光器为碗状，作为反光面的内表面为由自由曲面，透镜由入光面与出光面组成，入光面为自由曲面，出光面为平面。该LED发光体、反光器、透镜可以组成高效率的产生近似矩形光斑的LED二次光学系统，三者分别可以形成阵列，即多个LED安装在铝基板上形成LED阵列、反光器阵列、透镜阵列。这三种阵列可以与散热器外壳、防水胶圈等组成具有防水、防尘功能的高效率的LED光源化模组，该模组可用于制作路灯、隧道灯、投射灯等大功率LED灯具。

Description

成矩形光斑的LED二次光学系统、LED光源化模组及LED灯具

技术领域

本发明涉及一种成矩形光斑的发光二极管(LED)二次光学系统、LED光源化模组及LED灯具。

背景技术

随着LED制造技术的不断进步，其光效不断攀升，截止目前大功率白光LED的光效已达到100lm/w以上。这一光效使得LED进入普通照明成为可能，特别是在道路照明等属于定向照明的领域已经逐步获得应用。但是，由于目前LED的价格比传统光源高得多，而光效也只与荧光灯、金卤灯等接近，比高压钠灯略低。因此，LED用于普通照明的推广必须以提高LED照明系统的整体光效为前提，而这依靠提高LED器件的光效及灯具效率或者有效光利用率。

在道路照明、隧道照明等大功率LED灯具应用中，由于灯具需要防尘、防水等功能，因此，常采用“整体式”灯具的方式，即全部LED器件放置在一个密封的空间中。具体做法是：LED焊接在铝基板上，铝基板通过导热胶粘贴在带有散热鳍片的铝制灯壳上，LED的前端有配光透镜或反射镜。在透镜的前边有防水透明外罩。这样做法有如下缺点：

1.所有LED放置在铝制灯壳与透明防水外罩形成的密封腔内，密封性靠防水胶实现，这样，任何一个LED失效后，维修将及其困难，特别是现场无法维修。

2.用于配光的透镜或反射镜本身至少10％以上的光学损耗，防水透明外罩也有10％以上的光学损耗。因此，灯具的光学效率只能低于80％。

3.采用内表面为自由曲面、外表面是平面进行配光，可以形成外表面为统一平面的配光透镜阵列，该透镜阵列可以实现配光的同时实现模组的防水防尘功能。但该方法只能对LED发出的与其光轴成一定角度(常为70度)以内的光线调整方向，

对大于该角度的光线无法进行调整方向。因此，不能获得高的光学效率。

本发明正是针对这些问题，采用外表面为平面内表面为自由曲面的透镜、辅以自由曲面的内表面反射器，形成光源化模组，用这些模组组装灯具。由于透镜阵列通过密封圈与近似水槽型的压铸成型铝件安装，即实现了配光，又使模组本身防水防尘，同时，平滑的外表面使灯具冲洗容易。而反射器与透镜结合形成的光学系统也保证了系统具有很高的光学效率。因此，通过这样形成的多个模组，可以组成各种维修非常方便、高效率的、模块化的大功率LED灯具。

发明内容

本发明的目的：

目前市场上的大功率LED多采用整体式的，LED灯具维修困难，因此，采用光源化模块，以与高压钠灯灯具类似的方法组装成大功率LED灯具成为发展趋势。为了实现模块的现场更换，模块本身必须实现防水防尘、配光及散热功能。但是，模块中必须具有光学透镜或反射镜实现配光、防水透光外罩实现IP等级，这两者将分别使光效损失10％以上，即灯具的整体光效将低于80％。因此，比较可行的办法是：将光学透镜或反射镜做成阵列，兼具光学配光与防水罩的功能。但目前使用的光学配光是外表面为自由曲面的透镜，形状类似花生壳，当把它做成透镜阵列时，外表面整体上是不平整的，这样容易沾灰，且不容易清洗。而采用内表面为自由曲面、外表面是平面进行配光，可以形成外表面为统一平面的配光透镜阵列，该透镜阵列可以实现配光的同时实现模组的防水防尘功能(见专利201010607990.7，201010610503.2，201020685696.3，201020683105.9)。但该方法只能对LED发出的与其光轴成一定角度(常为70度)以内的光线调整方向，对大于该角度的光线无法进行调整方向。因此，不能获得高的光学效率。本发明的目的是且通过内表面反射器提高光学效率，及外表面为平面的透镜阵列实现配光及防护功能，用于制作高效率的光源化模块。在该模块可用于制作各种大功率LED灯具，如路灯、隧道灯、投射灯、厂矿灯等。

本发明是一种成矩形光斑的发光二极管(LED)二次光学系统、LED光源化模组及LED灯具。

本发明的光学系统由LED发光体(1)、反光器(2)、透镜(3)组成，如图1。反光器(2)为碗状内表面，其碗底有开孔(21)，LED发光体(1)装于碗底开孔(21)，使光线朝碗口(22)方向射出。透镜(3)装在反光器(2)的前面。LED发光体(1)为大功率LED器件，反光器(2)的碗状内表面(23)，是自由曲面。透镜(3)包括入光面(31)及出光面(32)。入光面是为鞍形的自由曲面，在一个侧面中间下凹两边上翘，在另一个侧面中间上凸两边下收，出光面(32)为平面。反射器(2)见图2-3，透镜见图4-5。

该光学系统中，装于反光器(2)碗底开孔处的LED发光体(1)发出的光与LED发光体光轴成较小角度的那部分直射进入透镜(3)，被该透镜(3)的内表面(31)(自由曲面表面)及外表面(32)(平面)折射改变方向，在无穷远处形成近似的矩形光斑。该内表面(31)的设计参阅专利200910046129.5及200920067656.X，但本发明设计该自由曲面(31)时仅考虑LED发出的与光轴角度较小的部分光线，即从0°到θ之间，优选的θ为50°～70°之间，如图6。通过设计自由曲面(31)的形状，使该矩形光斑有较好的能量均匀性。LED发光体(1)发出的光与LED发光体光轴成较大角度即θ～90°的那部分被反光器(2)的内自由曲面(23)反射，反射后再次被透镜(3)的内自由曲面表面(31)与外平面(32)折射，如图7，该部分光线与之前的近似矩形光斑光分布进行叠加，通过设计内自由曲面反射面(21)的形状，使叠加后在无穷远处形成比较均匀的矩形光斑。如图8。

一个LED发光体、反光器、透镜共同组成本发明的一个LED二次光学系统单元。在大功率LED灯具使用时，往往由多个LED发光体组成。因此，LED发光体(1)、反光器(2)、透镜(3)分别可以简单连接形成单排或多排的LED发光体阵列(16)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)；各阵列在使用时各个发光体单元、反光器单元、透镜单元一一对应。这样形成的阵列具体如下：

①LED发光体阵列(16)，即将多个LED单排或多排等间距的焊接在铝基板(11)上，电气相连并通过导线(12)与外部连接，如图9。

②反光器阵列(26)：将多个反光器(2)等间距的单排或多排放置，碗口在同一个平面内，各个反光器之间可以用各种连接方式，优选连接方式为通过各反光器碗口的平面(27)，如图10。是该平面(27)也为高反射面，用于将透镜(3)反射回的光线大部分再次反射出透镜。碗底的连接方式因为不影响光线，可以采用各种方式，图11为简单的将碗底通过与碗底等高的平面28进行连接。为便于安装，在该阵列的适当地方可以放置安装孔(29)。

③透镜阵列(36)：将多个透镜(3)等间距的单排或多排放置，出光面(32)在同一个平面内，各个透镜内表面(31)之间可以用各种连接方式。如果各透镜的间距小于透镜本身的大小，则切除边缘，在垂直透镜的光轴方向为一个矩形区域以使透镜可以两两相邻形成一个阵列，如图12-14。如各个透镜的间距大于透镜本身的大小，则由于相邻透镜中间多出的部分实际不参与光线的折射，该部分形状的设计以不挡光为原则，简单的方法是将相邻透镜的自由曲面上的相应边缘点直线连接形成过度柱面(39)即可以，如图15。也可以在该直线连接后加少量的平滑化。无论是图12-14的连接还是图15的连接，该透镜阵列中每个单元都在一个矩形的范围内，加上各透镜的连接处，总体仍然为一个较大的矩形范围内。因此，可以在该矩形的外围设立一个统一的平面平台(37)，并可以在该平台上设置安装孔(38)等，以便于安装。

采用前边所述的LED发光体(16)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)，可以用于形成具有矩形配光输出、防水、防尘功能的LED光源化模组(4)。该光源化模组结构如下：

LED光源化模组由带散热鳍片(42)的近似水槽型的压铸成型铝件(41)、LED发光体阵列(16)、防水接头(43)、密封件(45)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)组成。LED发光体阵列(16)上的铝基板(11)通过导热胶黏贴在压铸成型铝件(41)的水槽内底部，其上放置反光器阵列(26)并与发光体阵列(16)一道通过螺钉等与压铸成型铝件(41)固定。防水接头(43)在压铸成型铝件(41)的一端预留孔位引出，压铸成型铝件(41)的水槽口放置透镜阵列(36)并通过压扣、螺钉等方法固紧，透镜阵列(36)与压铸成型铝件(41)的水槽口放置密封件(45)使模组(4)完全密封。

以上所述的LED光源化模组(4)，可以用于制作各种具有近似矩形配光的大功率LED灯具。该灯具包括：一个以上LED光源化模组(4)，一个LED驱动器(5)，一个灯架(6)。其中相邻模组(4)留有间隙并排排列并固定在灯架(6)上，驱动器(5)也固定在灯架(6)上，灯架(6)上还包括用于安装的接口(61)，模组(4)通过其防水接头(43)与驱动器(5)的防水接头(51)一一相连。

采用以上方法制作的大功率LED灯具，可以包括大功率LED路灯、隧道灯、庭院灯、厂矿灯、投射灯，也可以用于制作室内照明灯具。在这些灯具的制作过程中，所不同的就是配光要求的不同而造成的光学系统中的透镜自由曲面(31)与反射器的内反射面(23)的形状的不同。因此，采用该种方法制作大功率LED灯具，可以形成系列化的标准模块，而模块的制作也仅仅光学元件内部不同，造成配光不同。但外表完全一样，这样形成的标准化产品，便于提高生产效率与模块的互换性。

本发明的主要特点有：

将光学透镜做成阵列，兼具光学配光与防水罩的功能，这样可以提高灯具的总体光效。同时通过采用反射器反射LED发出的与其光轴角度较大的光线，这样使光学系统具有较大的光学效率。采用这样的光学系统并将LED、透镜、反射器分别制作成阵列，并用该阵列制作LED光源化规格化、系列化模组，用该模组制作各种大功率LED灯具。制作的灯具具有模块化便于维修更换与升级、高效率等特点。

附图说明

图1为实施例1的二次光学系统图。

图2为实施例1的反光器的平面图。

图3为实施例1中的反光器的三维图。

图4为实施例1中的透镜平面图。

图5为实施例1中的透镜框架图。

图6为实施例1中的LED发光体发出的与光轴角度在0°到θ之间的光线光路图(仅经过透镜，不经过反光器)。

图7为实施例1中的LED发光体发出的与光轴角度在θ到90°之间的光线光路图(经过反光器反射再经过透镜折射)。

图8为实施例1中的发光系统发出的光线在无穷远处的照度分布图(近似均匀的矩形光斑)。

图9为实施例1中的LED发光体阵列图，图中为单排。

图10为实施例1中的反光器阵列三维图，图中为单排。

图11为实施例1中的反光器阵列平面图，图中为单排。

图12为实施例1中的透镜阵列之一的框架图：相邻入光面紧密排列。

图13为图11所示阵列的三维图。

图14为图12的透镜阵列，但带边上安装平台与安装孔的三维图。

图15为实施例1中的透镜阵列之二的三维图：相邻透镜的入光面以简单的柱面连接。

图16为实施例1中的光源化模组的装配图。

图17为实施例1中的光源化模组的三维图。

图18为实施例1中的采用光源化模组制作的大功率LED灯具图。

图中标号：

1为LED发光体，2为反光器，3为透镜，4为光源化模组，5为驱动器，6为灯架，11为安装LED发光体的铝基板，12为LED发光体阵列的电引出线，16为发光体阵列，21为反光器的碗底开孔，用于放置LED，22为反光器的碗口，23为反光器的内自由曲面反光面，26为反光器阵列，27为反光器阵列的碗口平面，28为反光器阵列的碗底平面，29为安装孔，31为透镜的入光面，32为透镜的出光面，36为透镜阵列，37为透镜阵列的安装平面，38为透镜阵列的安装孔，39为透镜阵列相邻透镜入光面的连接，41为水槽型压铸成型铝件，42为41上的散热鳍片，43为防水接头，45为密封圈，51为驱动器的防水接头，61为灯架上用于安装的部位。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明的一种近似矩形光斑的LED二次光学系统由LED发光体(1)、反光器(2)、透镜(3)组成，如图1。反光器(2)为碗状内表面，其碗底有开孔(21)，LED发光体(1)装于碗底开孔(21)，使光线朝碗口(22)方向射出，碗的外表面因为不参与光线的作用而没有要求。透镜(3)装在反光器(2)的前面。LED发光体(1)为大功率LED器件，反光器(2)的碗状内表面(23)，是自由曲面，透镜(3)包括入光面(31)及出光面(32)。入光面是为鞍形的自由曲面，在一个侧面中间下凹两边上翘，在另一个侧面中间上凸两边下收，出光面(32)为平面。反射器(2)见图2-3，透镜(3)见图4-5。

该光学系统中，反光碗内表面的自由曲面与透镜的入光面的自由曲面是关键。装于反光器(2)碗底开孔(21)处的LED发光体(1)发出的光与LED发光体光轴成较小角度的那部分直射进入透镜(3)，被该透镜(3)的内表面(31)(自由曲面表面)及外表面(32)(平面)折射改变方向，在无穷远处形成近似的矩形光斑。该内表面(31)的设计参阅专利200910046129.5及200920067656.X，但本发明设计该自由曲面(31)时仅考虑LED发出的与其光轴角度较小的部分光线，即从0°到θ之间，优选的θ为50°～70°之间，如图6，主要是因为，一方面对大多数LED来说，0°～60°集中了LED出射的大多数能量，另一方面，70°以上的光线由于较小角度对应自由曲面表面的遮挡而没法到达该角度的自由曲面表面，这也是本发明的光学系统采用透镜加反射器的原因。通过设计自由曲面(31)的形状，使该矩形光斑有较好的能量均匀性。LED发光体(1)发出的光与LED发光体光轴成较大角度即θ～90°的那部分被反光器(2)的内自由曲面(23)反射，反射后再次被透镜(3)的内自由曲面表面(31)与外平面(32)折射，如图7，该部分光线与之前的近似矩形光斑光分布进行叠加，通过设计反光器(2)的内自由曲面反射面(23)的形状，使叠加后在无穷远处形成比较均匀的矩形光斑。如图8。

以上是一个LED发光体、反光器、透镜共同组成本发明的一个LED二次光学系统单元。该光学系统可以单个单元使用构成小功率的灯具，也可以多个独立的这种光学系统单元组成大功率LED灯具。在构成大功率LED灯具时更优的做法是，将构成该光学系统单元的LED发光体、反光器、透镜分别做成阵列，即发光体阵列(16)、反光器阵列(26)及透镜阵列(36)，如图9-15。这样形成的阵列具体如下：

①LED发光体阵列(16)，即将多个LED单排或多排等间距的焊接在铝基板(11)上，电气相连并通过导线(12)与外部连接，如图9。

②反光器阵列(26)：将多个反光器(2)等间距的单排或多排放置，碗口在同一个平面内，优选连接方式为通过各反光器碗口的平面(27)，如图10。该平面(27)与反光碗内表面一样，采用浸镀、蒸镀等工艺进行镀膜而实现高反射率。平面(27)实现将透镜反射回的光线大部分再次反射出透镜。碗底的连接方式因为不影响光线，可简单的将碗底通过与碗底等高的平面(28)进行连接，如图8。碗底及连接平面需平整。为便于安装，在该阵列的适当地方可以放置安装孔(29)。

③透镜阵列(36)：将多个透镜(3)等间距的单排或多排放置，出光面(32)在同一个平面内。如果各透镜的间距小于透镜本身的大小，则切除边缘，在垂直透镜的光轴方向为一个矩形区域以使透镜可以两两相邻形成一个阵列，如图12-14。如各个透镜的间距大于透镜本身的大小，则由于相邻透镜中间多出的部分实际不参与光线的折射，该部分形状的设计以不挡光为原则，简单的方法是将相邻透镜的自由曲面上的相应边缘点直线连接形成过度柱面(39)即可以，如图15。也可以在该直线连接后加少量的平滑化。

实际设计时，该透镜阵列中每个单元都在一个矩形的范围内，加上各透镜的连接处，总体仍然为一个较大的矩形范围。因此，可以在该矩形的外围设立一个统一的平面平台(37)，并可以在该平台上设置安装孔(38)等，以便于安装，如图14-15。

采用前边所述的LED发光体(16)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)，可以用于形成具有矩形配光输出、防水、防尘功能的LED光源化模组(4)。该光源化模组结构如下：

LED光源化模组由带散热鳍片(42)的近似水槽型的压铸成型铝件(41)、LED发光体阵列(16)、防水接头(43)、密封件(45)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)组成。LED发光体阵列(16)上的铝基板(11)通过导热胶黏贴在压铸成型铝件(41)的水槽内底部，其上放置反光器阵列(26)并与发光体阵列(16)一道通过螺钉等与压铸成型铝件(41)固定。防水接头(43)在压铸成型铝件(41)的一端预留孔位引出，压铸成型铝件(41)的水槽口放置透镜阵列(36)并通过压扣、螺钉等方法固紧，透镜阵列(36)与压铸成型铝件(41)的水槽口放置密封件(45)使模组(4)完全密封。压铸成型铝件(41)可以在适当位置设置安装孔等，以便于模组的安装。

以上所述的LED光源化模组(4)，可以用于制作各种具有近似矩形配光的大功率LED灯具：

该灯具包括：一个以上LED光源化模组(4)，一个LED驱动器(5)，一个灯架(6)。其中相邻模组(4)留有间隙并排排列并固定在灯架(6)上，驱动器(5)也固定在灯架上，灯架(6)上还包括用于安装的接口(61)，模组(4)通过其防水接头(43)与驱动器(5)的防水接头(51)一一相连，(52)为驱动器的输入电源的防水接头。

采用以上方法制作的大功率LED灯具，可以包括大功率LED路灯、隧道灯、庭院灯、厂矿灯、投射灯，也可以用于制作室内照明灯具。在这些灯具的制作过程中，所不同的就是配光要求的不同而造成的光学系统中的透镜自由曲面(31)与反射器的内反射面(23)的形状的不同。因此，采用该种方法制作大功率LED灯具，可以形成系列化的标准模块，而模块的制作也仅仅光学元件内部不同，造成配光不同。但外表完全一样，这样形成的标准化产品，便于提高生产效率与模块的互换性。

本发明的工作过程如下：

如图1所示，将LED发光体(1)安装于反光器(2)底部的开孔(21)处，发出的光线大部分直接打在透镜(3)的入光面(31)上，通过透镜的折射在无穷远处形成矩形光斑。LED发光体(1)发出的与光轴成较大角度的光线照射在反光器(2)的内表面(23)上，经过发射后打在透镜(3)的入光面(31)上，折射后光线在无穷远处照射在同样的矩形光斑范围内。两个光斑叠加形成光能量分布均匀的近似矩形光斑。该LED发光体(1)、反光器(2)、透镜(3)分别制作成等间距的单排或多排阵列。该LED发光体阵列(16)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)与前述的带散热鳍片(42)的近似水槽型的压铸成型铝件(41)、防水接头(43)、密封件(45)等组成光源化模组。该光源化模组具有散热、配光、防水、防尘等功能。用该模组可以制作各种具有近似矩形配光的大功率LED灯具。该灯具包括：一个以上LED光源化模组(4)，一个LED驱动器(5)，一个灯架(6)。其中相邻模组(4)留有间隙的并排排列并固定在灯架(6)上，驱动器(5)也固定在灯架上，灯架(6)上还包括用于安装的接口(61)，模组(4)通过其防水接头(43)与驱动器(5)的防水接头(51)一一相连。

采用以上方法制作的大功率LED灯具，可以包括大功率LED路灯、隧道灯、庭院灯、厂矿灯、投射灯，也可以用于制作室内照明灯具。

Claims (8)

1.一种成近似矩形光斑的LED二次光学系统，该光学系统由LED发光体(1)、反光器(2)、透镜(3)组成，其特征在于，反光器(2)为碗状内表面(23)，其碗底有开孔(21)，LED发光体(1)装于碗底开孔(21)，使光线朝碗口(22)方向射出；透镜(3)装在反光器(2)的前面，反光器(2)的碗状内表面(23)，是自由曲面，透镜(3)包括入光面(31)及出光面(32)，入光面(31)是为鞍形的自由曲面，在一个侧面中间下凹两边上翘，在另一个侧面中间上凸两边下收，出光面(32)为平面。

2.根据权利要求1所述的一种成近似矩形光斑的LED二次光学系统，其特征在于，该LED发光体(1)、反光器(2)、透镜(3)分别能够简单连接形成单排或多排的LED发光体阵列(16)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)；各阵列在使用时各个发光体单元、反光器单元、透镜单元一一对应。

3.根据权利要求2所述的一种成近似矩形光斑的LED二次光学系统，其特征在于，所述LED二次光学系统的透镜阵列(36)中的各透镜单元的入光面(31)的自由曲面外边能够设立一个统一的平面平台(37)，并能够在该平台上设置安装孔(38)，以便于安装。

4.根据权利要求2所述的一种成近似矩形光斑的LED二次光学系统，其特征在于，所述LED二次光学系统的透镜阵列(36)中的各透镜单元的出光面(32)为统一的平面平台(37)。

5.根据权利要求2所述的一种成近似矩形光斑的LED二次光学系统，其特征在于，所述LED二次光学系统的反光器阵列(26)中，连接碗状反光器的连接方式为通过各碗状反光器碗口的平面(27)，该平面为高反射面，同时在该平面上能够设置安装孔(29)，以便于安装。

6.一种光源化模组，其特征在于，

根据权利要求2所述的成近似矩形光斑的LED二次光学系统中的LED发光体阵列(16)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)用于形成具有矩形配光输出、防水、防尘功能的LED光源化模组(4)；该光源化模组结构如下：

LED光源化模组(4)由带散热鳍片(42)的近似水槽型的压铸成型铝件(41)、带多个LED发光体(1)并分别电气安装在铝基板(11)上的LED发光体阵列(16)、防水接头(43)、密封件(45)、反光器阵列(26)、透镜阵列(36)组成；LED发光体阵列底部的铝基板(11)通过导热胶黏贴在压铸成型铝件(41)的水槽内底部，其上放置反光器阵列(26)，发光体阵列(16)与反光器阵列(26)通过螺丝与压铸成型铝件固定；防水接头(43)在压铸成型铝件(41)的一端预留孔位引出，压铸成型铝件(41)的水槽口放置透镜阵列(36)并通过压扣或螺钉方法固紧，透镜阵列(36)与压铸成型铝件(41)的水槽口放置密封件(45)使模组(4)完全密封。

7.一种成近似矩形配光的LED灯具，其特征在于，包括如权利要求6所述的光源化模组中的LED光源化模组(4)。

8.根据权利要求7所述的LED灯具，其特征在于，包括：一个以上LED光源化模组(4)，一个LED驱动器(5)，一个灯架(6)，其中相邻模组(4)留有间隙并排排列并固定在灯架(6)上，驱动器(5)也固定在灯架(6)上，灯架(6)上还包括用于安装的接口(61)，模组(4)通过其防水接头(43)与驱动器(5)的防水接头(51)一一相连。