CN103672576B - 一种模块化led路灯的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化LED路灯用的光学系统，包括二次光学透镜和LED光源阵列，透镜能够对包含9颗LED的光源阵列实现矩形的蝙蝠翼形配光。透镜本体具有基面、入射面以及出射面；所述透镜本体沿基面呈“M”形凸起，透镜本体的外围弧面形成透镜的出射面：所述基面中间的内凹形成由半圆柱面和圆弧面组成的入射面。LED光源阵列的排列方式为3*3。本发明可将LED光源阵列发出的光配成与光轴纵向夹角为63°，横向夹角为38°的光线射出，在路面上形成矩形的照度均匀的光斑，满足道路的照明要求。本发明不仅可以减少制造透镜的材料、减小路灯的体积，而且模块化的特点使其便于安装，可根据实际照明需求灵活改变使用的数量。

Description

一种模块化LED路灯的光学系统

技术领域

本发明涉及一种模块化LED路灯的光学系统，更具体的说，涉及LED光源的矩形配光设计改进。

背景技术

目前LED路灯的光学透镜一般都是针对单颗光源的矩形配光设计，因为路灯的功率要求比较大，这样的透镜在进行路灯设计时需要将很多可光学系统进行组合，这样就会容易导致路灯尺寸较大，容易造成资源浪费。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够为LED路灯提供一种模块化的光学系统，该系统能够将9颗光源放在其中进行矩形蝙蝠翼配光设计，这样不仅可以减少制造透镜的材料，还能根据路灯实际需要来自由确定路灯中模块透镜的个数。

为了达到上述目的，本发明一种模块化LED路灯的光学系统，包括阵列式排布LED灯的基板。所述LED灯以“3×3”或“4×4”中心对称方式排列于基板上，所述LED灯外部以中心对称方式在所述基板上罩设有外轮廓为“M”形凸起的透镜本体，所述透镜本体内侧为半圆柱的凹形内侧面。其中，所述透镜本体外侧“M”形下部为竖直线，上部的自由曲线由如下方式确定:

设Pi(x_i,y_i,z_i)为所述自由曲线上的点坐标,θ_i为入射光线与竖直线夹角，α_i为出射光线与竖直线夹角，β_i为切线与水平线夹角；根据光通量守恒原理、近似算法和折射定律，可得：

${\mathrm{tan\β}}_i=\frac{{\mathrm{dz}}_i}{{\mathrm{dx}}_i}---\left(\mathrm{II}\right)$

sin(α_i-β_i)＝n·sin(θ_i-β_i)(III)

式中P_i+1、θ_i为自由曲线上的第i+1个点坐标以及入射光线与竖直线的夹角，n是透镜的折射率；

联立式(I)-(III)通过迭代计算可得到透镜母线。

优选方式下，所述透镜本体采用PMMA材料，透光率为90％-92％，折射率为1.49。

此外，最优方式下，所述LED光源阵列的排列方式为3*3，相邻两排光源在Y轴方向的距离为5.5mm,相邻两列光源在X轴方向的距离为10mm；所述半圆柱的凹形内侧面半径设为20mm、宽度设为34.6mm，长度设为40mm。

最优方式下，通过外形位置的计算，可将出射光配置成如下方式：将LED光源阵列发出的光配成在Y轴方向上与Z轴的夹角为63°，在X轴方向上与Z轴的夹角为38°的光线射出，在路面(X-Y面)上形成矩形的照度均匀的光斑，满足道路的照明要求。

本发明一种模块化LED路灯用的光学系统，系统包括二次光学透镜和LED光源阵列，透镜能够对包含9颗LED的光源阵列实现矩形的蝙蝠翼形配光。此透镜的包括一透镜本体、该透镜本体具有基面、入射面以及出射面；所述透镜本体沿基面呈“M”形凸起，透镜本体的外围弧面形成透镜的出射面：所述基面中间的内凹形成由半圆柱面和圆弧面组成的入射面。LED光源阵列的排列方式为3*3。本发明可将LED光源阵列发出的光配成与光轴纵向夹角为63°，横向夹角为38°的光线射出，在路面上形成矩形的照度均匀的光斑，满足道路的照明要求。本发明不仅可以减少制造透镜的材料、减小路灯的体积，而且模块化的特点使其便于安装，可根据实际照明需求灵活改变使用的数量。

附图说明

图1是本光学系统的等侧图；

图2是透镜的等侧图；

图3是透镜的前视图；

图4是透镜的右视图；

图5是透镜的俯视图；

图6示出透镜在Z-Y面上的母线；

图7示出透镜在Z-X面上的母线；

图8示出透镜的凹槽；

图9示出透镜的尺寸；

其中，图9(a)为俯视图，图9(b)和图9(c)分别是两侧投影图；

图10示出了LED光源的排列方式；

图11示出了系统在10米远处的光斑；

图12示出了系统在10米远处路面的光强分布曲线；

图13示出了模组的照明示意图；

图14示出了模组的一种排列方式；

图15示出了模组在10米远处的光斑；

图16示出了模组在10米远处路面的光强分布；

图17示出了模组在10米远处的照度分布；

图18示出了透镜母线的出光方式。

具体实施方式

为了使本发明的技术方法、设计特点和效果易于理解，下面结合图示进一步阐述本发明。

本发明针对LED路灯中采用二次透镜进行配光时所存在的问题，而提供一种模块化的光学系统1，如图1所示。该系统1能够将9颗光源2放在其中进行矩形蝙蝠翼配光设计。系统包括二次透镜3和LED光源阵列2。其透镜3的具体结构如图2-5所示：

本发明提供的透镜3的主要包括一透镜本体4，该透镜本体4由基面6、入射面7以及出射面5共同界定。

透镜的基面6为一平面，整个透镜本体4沿基面呈“M”形凸起，透镜本体4的外围弧面5形成透镜的出射面：所述基面6中间的内凹7形成由半圆柱面8和圆弧面9组成的入射面7。

如图6所示，出射面5在Z-Y面上的母线13由“花生壳”形的自由曲线10和一条直线11构成。

如图13所示，设道路上路灯间距为L，灯高为H，由相应的几何关系可知出射光在此自由曲线10上的光束角Ψ为：

$\mathrm{\ψ}=arctan\frac{L}{H}---\left(1\right)$

透镜在Z-X面和Z-X面上的母线设计原理根据附图18和相应的数学模型计算得到的。图18中Pi(x_i,y_i,z_i)为入射光线与透镜曲面的交点坐标,HP为水平线，VP为竖直线，KP为光出射点在自由曲线上的切线，NP为自由曲线的法线，θ_i为入射光线与竖直线夹角，α_i为出射光线与竖直线夹角，β_i为切线与水平线夹角。根据光通量守恒原理、近似算法和折射定律，可得：

${\mathrm{tan\β}}_i=\frac{{\mathrm{dz}}_i}{{\mathrm{dx}}_i}---\left(3\right)$

sin(α_i-β_i)＝n·sin(θ_i-β_i)(4)

式(2)中P_i+1为自由曲线上的第i+1个点，式(4)中n是透镜的折射率。

联立式(2)-(4)通过迭代计算便可得到透镜母线即自由曲线10。本发明中出射光在自由曲线10上的光束角为63°。

直线11连接自由曲线10和基面6所在直线12，避免了自由曲线过渡延伸导致无法开模加工的问题。

如图7所示，出射面在Z-X面上的母线14为门形曲线。此门形曲线的中间部分15和两侧下半部分为直线16，两侧上半部分为弧形的自由曲线17。

如图13所示，设道路宽度为2D，灯高为H，由相应的几何关系可知出射光在此自由曲线17上的光束角为：

$\mathrm{\η}=arctan\frac{D}{H}---\left(5\right)$

此自由曲线17的计算方法与自由曲线10基本相同，不同处只在于出射光在此自由曲线17上的光束角为38°。

两侧下半部分的直线16连接自由曲线17和基面6所在直线18，避免了自由曲线过渡延伸导致无法开模加工的问题。中间部分的直线15为出射面在Z-Y面上的母线13沿着与X轴平行的直线19拉伸得到的出射面5顶端的轮廓线。

将出射面在Z-Y面上的母线13分别沿着门形曲线上的自由曲线17和下半部分的直线16、与X轴平行的直线19拉伸即能得到透镜的出射面5。透镜的长度设为51.6mm，宽度为56.2mm，高度为13mm。

如图8所示，入射面7在基面6中间上内凹形成一凹槽20，该凹槽20用于安装LED阵列2和会聚LED2发出的光线。凹槽20由半圆柱面8和圆弧面9构成。圆弧面9即半圆柱8的底面和顶面，圆弧面9所在圆21的圆心S位于原点O的下方，半径设为20mm。凹槽20的宽度设为34.6mm，长度设为40mm。

建立完成的透镜模型的实际尺寸如图9所示。

本发明中的透镜4采用的PMMA材料为高度透明的无定形热塑形聚合物，透光率约为90％-92％，折射率为1.49，同时机械强度高、韧性好，具有较佳的耐紫外线和大气老化性。

如图10所示，本发明的LED光源阵列中共有9颗LED2，每颗LED22的光通量都为100lm。光源22按照“3×3”或“4×4”等方式等间距排列，每排光源在Y轴上和X轴上的距离需满足总体尺寸的要求。

将透镜的模型导入到光线追迹软件如TracePro中，将LED芯片的发光面赋予光源特性，设光通量为100lm，在10米远放置一接收屏，即可对系统进行光线追迹及光度分析，单个系统的光斑如图11所示。可见光斑形状为矩形，与道路照明所需的矩形大致相符。

对道路照明来说，光强分布曲线为一个重要的参数。软件仿真得到的系统光强分布曲线见图12，其纵向光束角约为63°，横向光束角约为38°，都与理论目标值相符。

在实际应用中，可将多个透镜通过开模完成一个整体的多颗透镜的透镜模组，按不同的需求可以设计成多透镜的模组；本设计能够减少制造透镜的材料，节省生产成本，并且安装便捷，价格合理。

实施例一

参见图13的设计目标，系统的纵向光束角为63°，横向光束角为38°，系统的安装高度为10m。

如图14所示，此设计的光学系统23由4个透镜3组成的模组24和4个相应的光源阵列2构成。为了使透镜模组的组合安装，本实施例在每个透镜3的四个顶点处设置有定位柱25，能够在安装时很好地定位在正确的位置上。

将透镜模组的模型导入TracePro中，设定光源光通量为100lm，在10m远放置一接收屏，即可对系统进行光线追迹及光度分析，光斑如图15所示。易见模组产生的光斑形状为矩形，与单个系统产生的光斑形状一致。光斑的长度约为40m，宽度为16m，与照明目标的尺寸相符。

软件仿真得到的模组光强分布曲线见图16，其纵向光束角约为63°，横向光束角约为38°，和单个系统产生的曲线形状一致，与理论目标值相符。

将在TracePro产生的IES文件导入照明计算软件DIALux中进行计算分析，得到系统在模拟路面上的照度分布，如图17所示。由图17可知，路面的平均照度约为22lx，照度均匀度(最小照度和平均照度之比)约为0.62，高于道路照明标准的要求。

综上，本发明模块化LED路灯用的光学系统，包括二次光学透镜和LED光源阵列，该透镜本体具有基面、入射面以及出射面；透镜本体沿基面呈“M”形凸起，透镜本体的外围弧面形成透镜的出射面：所述基面中间的内凹形成由半圆柱面和圆弧面组成的入射面。

所述二次光学透镜本体出射面在Z-Y面上的母线和在Z-X面上的母线都由“花生壳”形的自由曲线和直线构成。所述门形曲线的中间部分和两侧下半部分为直线，门形曲线的两侧上半部分为弧形的自由曲线。

优选方式下，所述LED光源阵列的排列方式为3*3，相邻两排光源在Y轴方向的距离为5.5mm,相邻两列光源在X轴方向的距离为10mm。所述光学系统可将LED光源阵列发出的光配成在Y轴方向上与Z轴的夹角为63°，在X轴方向上与Z轴的夹角为38°的光线射出，在路面(X-Y面)上形成矩形的照度均匀的光斑，满足道路的照明要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模块化LED路灯的光学系统，包括阵列式排布LED灯的基板，其特征在于，所述LED灯以“3×3”或“4×4”中心对称方式排列于基板上，所述LED灯外部以中心对称方式在所述基板上罩设有外轮廓为“M”形凸起的透镜本体，所述透镜本体内侧为半圆柱的凹形内侧面；

其中，所述透镜本体外侧“M”形下部为竖直线(11)，上部的自由曲线(10)由如下方式确定:

建立坐标系：设所述LED灯的基板中心为原点，垂直所述LED灯的基板方向为Z轴，所述透镜本的“M”形凹陷走向为X轴方向，垂直X、Z轴设置Y轴；并设Pi(x_i,y_i,z_i)为所述自由曲线(10)上的点坐标,θ_i为入射光线与竖直线夹角，α_i为出射光线与竖直线夹角，β_i为切线与水平线夹角；根据光通量守恒原理、近似算法和折射定律，可得：

${\mathrm{tan\β}}_i=\frac{{\mathrm{dz}}_i}{{\mathrm{dx}}_i}---\left(II\right)$

sin(α_i-β_i)＝n·sin(θ_i-β_i)(III)

式中P_i+1、θ_i为自由曲线上的第i+1个点坐标以及入射光线与竖直线的夹角，n是透镜的折射率；

联立式(I)-(III)通过迭代计算可得到透镜母线。

2.根据权利要求1所述模块化LED路灯的光学系统，其特征在于，所述透镜本体采用PMMA材料，透光率为90％-92％，折射率为1.49。

3.根据权利要求1或2所述模块化LED路灯的光学系统，其特征在于，所述LED光源阵列的排列方式为3*3，相邻两排光源在Y轴方向的距离为5.5mm,相邻两列光源在X轴方向的距离为10mm。

4.根据权利要求3所述模块化LED路灯的光学系统，其特征在于，所述半圆柱的凹形内侧面半径设为20mm、宽度设为34.6mm，长度设为40mm。

5.根据权利要求1所述模块化LED路灯的光学系统，其特征在于，所述模块化LED路灯的光学系统将LED光源阵列发出的光配成在Y轴方向上与Z轴的夹角为63°，在X轴方向上与Z轴的夹角为38°的光线射出。