CN103807806B - 能照射到3、5车道的cob模块led路灯透镜的配光方法 - Google Patents

能照射到3、5车道的cob模块led路灯透镜的配光方法 Download PDF

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Abstract

一种能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法，其特征是使COB模块LED光源发出的光线先经过一个水滴形折射透镜（11）折射后再经过配光曲面透镜（12）二次折射以达到最佳照射效果。本发明为单个COB模块LED光源在城市道路的使用提供了基础，具有成本低，效率高的优点。

Description

能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法
技术领域
本发明涉及一种照明技术，尤其是一种道路照明技术，具体地说是一种能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法。
背景技术
现有的LED路灯根据不同的光源大概分为两种：一种是采用单芯片的小颗LED光源的路灯，即路灯由几十颗至上百颗1瓦～3瓦的单芯片的小颗LED及其配光透镜阵列组成；另外一种是采用集成芯片的COB模块LED光源，再加配光透镜组成的路灯。由许多颗1瓦～3瓦的单芯片的小颗LED及配光透镜阵列组成的路灯，当遇到照明的范围比较大、均匀度要求比较高的情况时，譬如单侧5车道照明，这时候灯具就需要用到240瓦甚至更高的功率，那么路灯就需要由上百颗LED及其配光透镜组成，从而导致PCB板(印刷电路板)和散热器的面积很大，灯头也会特别巨大。另外，这么多的小颗LED光源及其透镜的组合，其制作成本通常比较高。还有一个外部环境因素的问题是：由于单颗1瓦～3瓦的单芯片的小颗LED，其配光透镜基本上全是注塑出来的塑料透镜，材料通常为PMMA或者PC，那么通常经过3～5年的风吹、雨淋、日晒、紫外线的照射、热胀冷缩、灰尘的黏附之后，会导致透镜出现黄化和裂纹，透光度急剧下降。静电吸附是塑料透镜最致命的威胁，使用一段时间之后的透镜表面会通常会吸附很多灰尘，淋水以后就会像石灰一样固化在透镜的表面，难以清洗，极大地影响透镜的光学效率。
所谓集成芯片的COB模块LED光源，即chipOnboard，就是将裸晶元用导电或非导电胶粘附在互连基板上，然后进行引线键合实现其电连接(覆晶方式无需引线键合)，即LED晶元和基板集成技术，图1为所谓的COB模块LED光源的结构示意图。由于集成芯片的COB模块LED光源的成本较低、通常一块光源可以集成几十瓦至上百瓦的芯片。其单块光源的成本比几十颗至上百颗1瓦～3瓦的单芯片的小颗LED加起来的成本要低得很多。另外，一个光源模块只需要一个玻璃的配光透镜就可以满足路灯的配光要求，因此透镜的成本也降低了很多。通常几百瓦的路灯只需采用几块COB的模块光源即可以满足路面照明的要求。其他优点是：玻璃透镜的透光度比较高，其光学效率一般可以做到95％以上；另外玻璃透镜耐腐蚀、耐热性能比较好，许多年之后透镜也不会黄化、刮花、也不会受静电的影响；透镜表面的灰尘在雨淋之后会自动冲洗干净。
因此，如何利用COB模块LED光源实现多车道照明是提高照明效率，降低生产和使用成本的关键，而对照明灯具进行配光是实现单个光源实现多车道照明的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于COB模块LED光源的能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法。
本发明的技术方案是：
一种能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法，其特征是使COB模块LED光源发出的光线先经过一个水滴形折射透镜11折射后再经过配光曲面透镜12二次折射以达到最佳照射效果；所述的水滴形折射透镜11沿着垂直于道路方向即Y-Y方向的剖面轮廓线由一段倾斜的较长的椭圆弧以及一段较短的圆弧组成，其沿着道路延伸的方向即X-X方向的剖面轮廓线为半圆形，水滴形折射透镜11曲面由其Y-Y方向的剖面轮廓线沿X-X方向的剖面轮廓线扫掠而成；配光曲面透镜12沿着Y-Y方向及X-X方向具有不同角度的非对称配光，它沿着Y-Y方向的剖面轮廓线，与光轴OZ有一个偏光角，且对单根光线的配光满足配光条件：
其中θ2为：为出射光线与光轴的夹角，光轴为过COB模块LED光源中心点O且与底面(14)垂直的直线；
θ1为入射光线与光轴的夹角；
Ψt为配光曲面透镜12的Y-Y剖面轮廓线上距离O点最远处的点与O点所连成的轴线OT与光轴OZ的夹角；
Φl及Φr分别为配光曲面透镜12左边和右边的边缘出射光线与光轴OZ的夹角；
沿着X-X方向的剖面轮廓线，为对称的中间略凹的、形状类似于马鞍形的曲线，其中间位置比两肩最高的位置下凹0.30-0.36mm，其配光曲面对单根光线的配光满足配光条件：
式中：δ1为入射光线OU与光轴OZ的夹角，δ2为出射光线VW与光轴的夹角；
配光曲面透镜12由Y-Y方向的剖面轮廓线沿X-X方向的剖面轮廓线扫掠而成。
所述的偏光角Ψt在-30°～-60°之间。
所述的水滴形折射透镜11沿着Y-Y方向的剖面轮廓线由一段倾斜的长椭圆弧ABC以及一段的圆弧CD组成；该椭圆的短轴为OB，长轴为OC，长轴与短轴的比例为1.6，短轴OB与光轴OZ的倾斜角τ为-19.3°，短轴的尺寸为10-20mm,优选为15mm,以正好覆盖光源面的大小，圆弧CD与椭圆弧ABC共用一个圆心。
所述的从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线，经过水滴形入射透镜11的凹面折射后，再通过上方的配光曲面透镜12进行配光，配光后出射光束的最强光强方向沿透镜偏光轴OT方向射出。
所述的从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线经过水滴形入射透镜11的凹面进行折射，折射后的方向保持不变，光线没有偏折，直接由上方的配光曲面透镜(12)进行配光，配光之后出射的光线均匀地分配在与光轴OZ成±74°的范围内。
本发明的有益效果：
本发明为单个COB模块LED光源在城市道路的使用提供了基础，具有成本低，效率高的优点。
附图说明
图1是本发明COB模块LED光源的结构示意图。
图2是本发明所涉及二次光学透镜的具体实施方案1的3视图。
图3本发明所涉及二次光学透镜的具体实施方案1在Y-Y方向及X-X方向的剖面图。
图4是本发明实施例一在Y-Y方向，入射面11的剖面轮廓
图5是本发明实施例一在Y-Y方向曲面12的配光原理示意图。
图6是本发明实施例一在Y-Y方向曲面12对单根光线的配光图。
图7是本发明实施例一在X-X方向曲面12的配光原理示意图。
图8是本发明实施例一在X-X方向曲面12的配光原理对单根光线的配光示意图。
图9是本发明实施例一的光线追迹示意图。
图10是本发明实施例一在12米远处的光斑形状及照度分布示意图。
图11是本发明实施例一的配光曲面示意图。
图12是本发明实施例一对道路照明的模拟结果示意图。
图13是本发明实施例一对路面照明、路面上的辉度分布分析结果示意图。
图14是本发明实施例一对路面照明，路面上的照度分布分析结果示意图。
图15本发明实施例二的二次光学透镜的3维视图。
图16本发明实施例二的二次光学透镜在Y-Y方向及X-X方向的剖面图。
图17本发明实施例二的配光曲面示意图。
图18是本发明实施例二对路面照明、路面上的辉度分布分析结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1-14所示。
一种能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法，其实质是使COB模块LED光源发出的光线先经过一个水滴形折射透镜11折射后再经过配光曲面透镜12二次折射以达到最佳照射效果；水滴形折射透镜11和配光曲面透镜12均最好采用高硼硅玻璃制造。
详述如下：
一种5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法，采用图1所示的COB模块LED光源作为照明光尖的，整个路灯的3维视图如图2所示，其X-X方向(沿着道路延伸的方向)和Y-Y方向(垂直于道路方向)的剖面图如图3所示。其结构特征为：其由下方靠近光源位置的一个水滴形入射凹面11、上方的配光曲面12、底部的平面13、以及安装用的平台14组成。所述二次光学透镜的水滴形入射凹面11，其沿着Y-Y方向的剖面轮廓线由一段倾斜的较长的椭圆弧以及一段较短的圆弧组成，如图3中的左图所示；所述二次光学透镜的水滴形入射凹面11，其沿着X-X方向的剖面轮廓线为半圆形，如图3中的右图所示。所述的二次光学透镜，其配光曲面12沿着Y-Y方向的剖面轮廓线，与光轴OZ有一个偏光角Ψt，该偏光角在-30°～-60°之间，本具体实施方案优选该偏光角Ψt为-58°，其大小根据5车道的路面宽度及灯杆的高度来确定，如图3中的左图所示。所述的偏光角Ψt，其也为配光曲面12的Y-Y剖面轮廓线上距离O点最远处的点与O点所连成的轴线OT与光轴OZ的夹角。轴线OT表示配光曲面12在Y-Y剖面的出射光束的最强光强方向，即偏光方向，该轴线也叫透镜的偏光轴。所述的二次光学透镜，其配光曲面12沿着X-X方向的剖面轮廓线，为对称的中间略凹的马鞍形曲线,其中间位置比两肩最高的位置下凹0.30-0.36mm，如图3中的右图所示。这里正负号的定义为：偏离光轴OZ向左方射出的为负，偏离光轴OZ向右方出射的为正。OZ为经过COB模块LED光源发光面中心O点并垂直于发光面的光轴。
本发明所涉及的二次光学透镜，其水滴形入射凹面11，沿着Y-Y方向(垂直于道路方向)的剖面轮廓线由一段倾斜的较长的椭圆弧ABC以及一段较短的圆弧CD组成，如图4所示。该椭圆的短轴为OB，长轴为OC，长轴与短轴的比例为1.6，短轴的尺寸为10-20mm,优选为15mm,以正好覆盖光源面的大小，短轴OB与光轴OZ有一倾斜角τ，本具体实施方案优选τ为 -19.3°。圆弧CD与椭圆弧ABC共用一个圆心。该水滴形入射面在Y-Y方向的作用为：其先将从COB模块LED光源发出的光沿着椭圆短轴OB的方向进行第一次偏折，然后再通过上表面的自由曲面12再次偏折进行偏轴配光。
图5为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1的配光曲面12在Y-Y方向的配光原理。从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线，经过水滴形入射凹面11折射后，再通过上方的配光曲面12进行配光，配光后出射光束的最强光强方向沿透镜偏光轴OT方向射出。所述的偏光角Ψt，其为配光曲面12的Y-Y剖面轮廓线上距离O点最远处的点与O点所连成的轴线OT与光轴OZ的夹角。Φl及Φr分别为配光曲面12左边和右边的边缘出射光线与光轴OZ的夹角，这里优选Φl为-65.8°、Φr为52.5°。
图6为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1在Y-Y方向，曲面12对单根光线的配光。从COB模块LED发光面中心O点发出的一根光线OP，经过水滴形入射面11折射后，折射光线PQ入射到上方的配光曲面12进行配光，配光后的出射光线沿着QR方向射出。假设入射光线OP与光轴OZ的夹角为θ1，出射光线QR与光轴的夹角为θ2，那么出射角θ2与入射角θ1之间满足以下的配光条件：
根据公式(1)，当入射光线与光轴OZ的夹角θ1为90°时，可以得出出射角θ2为Φr；当入射光线与光轴OZ的夹角θ1等于Ψt时，可以得出出射角θ2为Ψt，其他位置的出射角依次类推。
表格1为与公式(1)相对应的具体实施方案1在Y-Y方向，曲面12对单根光线的配光，出射角θ2与入射角θ1之间的对应关系。
表1
入射角θ1(°) 出射角θ2(°)
-90 -65.829143
-86 -65.052596
-82 -64.228003
-78 -63.351138
-74 -62.417322
-70 -61.421367
-66 -60.357524
-62 -59.21942
-58 -58(透镜偏光轴OT的方位)
-54 -56.691457
-50 -55.285176
-46 -53.771682
-42 -52.140601
-38 -50.380652
-34 -48.47968
-30 -46.424756
-26 -44.202364
-22 -41.798727
-18 -39.200293
-14 -36.394448
-10 -33.370476
-6 -30.1208
-2 -26.642474
2 -22.938842
6 -19.021175
10 -14.910008
14 -10.63581
18 -6.238646
22 -1.766596
26 2.727046
30 7.18743
34 11.56209
38 15.804467
42 19.876457
46 23.749728
50 27.405811
54 30.83526
58 34.036219
62 37.012758
66 39.773246
70 42.328899
74 44.692604
78 46.878011
82 48.898878
86 50.768615
90 52.5
本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1在Y-Y方向，曲面12的剖面轮廓线上每点(X,Y)的坐标值，为根据公式(1)的配光关系，通过逐点积分的数学迭代方法，利用计算机编程来计算完成。
图7为本发明所涉及的二次光学透镜，配光曲面12在X-X方向的配光原理。从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线，经过水滴形入射凹面11进行折射。由于所述的水滴形入射凹面11，其沿着X-X方向的剖面轮廓线为半圆形，其圆心位于COB模块LED光源发光面的中心O点位置，所以在这个方向，从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线，经过水滴形入射凹面11折射后，其方向保持不变，光线没有偏折，直接由上方的配光曲面12进行配光，配光之后出射的光线均匀地分配在与光轴OZ成±74°的范围。
图8为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1在X-X方向，曲面12对单根光线的配光。从COB模块LED发光面中心O点发出的一根光线OU，经过水滴形入射面11折射后，折射光线UV入射到上方的配光曲面12进行配光，配光后的出射光线沿着VW方向射出。假设入射光线OU与光轴OZ的夹角为δ1，出射光线VW与光轴的夹角为δ2，那么出射角δ2与入射角δ1之间满足以下的配光条件：
表格2为与公式(2)相对应的具体实施方案1在X-X方向，曲面12对单根光线的配光，其出射角δ2与入射角δ1之间的对应关系。
表2
入射角δ1(°) 出射角δ2(°)
0 0
3.6 7.941319
7.2 15.58874
10.8 22.70881
14.4 29.16092
18 34.89511
21.6 39.92864
25.2 44.3181
28.8 48.13714
32.4 51.46215
36 54.36464
39.6 56.90795
43.2 59.14649
46.8 61.12619
50.4 62.8855
54 64.45645
57.6 65.86573
61.2 67.13561
64.8 68.28471
68.4 69.32868
72 70.28071
75.6 71.15197
79.2 71.95196
82.8 72.6888
86.4 73.36948
90 74
本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1在X-X方向，曲面12的剖面轮廓线上每点(X,Y)的坐标值，为根据公式(2)的配光关系，通过逐点积分的数学迭代方法，利用计算机编程来计算完成。
将按照上述公式(1)及公式(2)的配光方法计算完成的具体实施方案1在Y-Y方向及X-X方向的曲面12的剖面轮廓线上的每一点，分别在3维建模软件中通过B-样条曲线连接起来，就形成了2条在Y-Y方向及X-X方向的剖面轮廓线。将Y-Y剖面轮廓线沿着X-X剖面轮廓线进行扫掠形成一个自由曲面，并包络成实体，就可以得到透镜的3维实体模型。
以下为本发明所涉及的具体实施方案1所述二次光学透镜的计算机模拟及光度分析，假设COB模块LED光源面的大小为直径28mm，光通量为25000流明(250瓦)，屏幕位于12米远处。图9为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1的光线追迹。可以大致看出沿Y-Y方向(左图)，光线呈偏轴分布，其出射光线是倾斜的；而在X—X方向(右图)，出射光线为大角度对称的分布。
图10为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1在12米远处的光斑形状及照度分布。光斑呈偏轴分布，光斑中心偏离横竖叉丝的交点，分布在上方。图11为该具体实施方案的配光曲面，共有2条曲线，其中一条呈偏轴分布，其最强光强方向偏离正下方的0度方位角约58°，另外一条呈对称的蝙蝠翼分布，其光束角全角大小约为148°(即±74°)，与设计目标相符合。
图12为本发明所涉及的具体实施方案1，对道路照明的效果模拟。道路状况为单边5车道(双向共10车道)，中间有3米宽的隔离岛，单个车道的宽度为3.75米，5车道的宽度共18.75米。灯具的光通量为24060流明，灯杆间距为35米，灯杆高度为12米，灯头仰角为15度，悬臂长度为2米。灯杆设置在道路中间的隔离岛上，每个灯杆的左右两边分别安装有2个灯头。
图13为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1对道路照明，路面上的辉度(亮度)分析结果，可以看出其所有的指标都满足ME4a的城市道路照明设计标准，路面整体的辉度均匀度U0为0.4，其纵向均匀度UL为0.8，眩光指数TI小于15。
图14为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案1对道路照明，路面上的照度分析结果，可以看出单边5个车道的平均照度为18勒克斯，最小照度为11勒克斯，最大照度为28勒克斯，最小照度/平均照度的比值为0.617，最小照度/最大照度比值为0.407。5个车道的路面都可以获得十分均匀的照明效果。
实施例二。
如图15-18所示。
本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案2为用于3车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法。本实施方案的透镜3维视图如图15所示，其X-X方向(沿着道路延伸的方向)和Y-Y方向(垂直于道路方向)的剖面图如图16所示。其结构特征为：其由下方靠近光源位置的一个水滴形入射凹面21、上方的配光曲面22、底部的平面23、以及安装用的平台24组成。所述二次光学透镜的水滴形入射凹面21，其沿着Y-Y方向的剖面轮廓线也是由一段倾斜的较长的椭圆弧以及一段较短的圆弧组成，如图16中的左图所示；其沿着X-X方向的剖面轮廓线为半圆形，如图16中的右图所示。所述的二次光学透镜，其配光曲面22沿着Y-Y方向的剖面轮廓线，与光轴OZ有一个偏光角，与具体实施方案1不同的是：本具体实施方案优选该偏光角为-40°，其大小根据3车道的路面宽度及灯杆的高度来确定。这里关于角度的正负号的定义为：偏离光轴OZ向左方射出的为负，偏离光轴OZ向右方出射的为正。OZ为经过COB模块LED光源发光面中心O点并垂直于发光面的光轴。所述的二次光学透镜，其配光曲面22沿着X-X方向的剖面轮廓线，为对称的中间略凹的曲线，如图16中的右图所示。由于具体实施方案2，其配光曲面22沿着Y-Y方向的剖面轮廓线的偏光角比具体实施方案1较小，在相同的COB模块LED光源尺寸下，所对应的透镜整体尺寸就比具体实施方案1小很多，即入射凹面21与配光曲面22的尺寸比例相对比较大。
本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案2的配光曲面22在Y-Y方向的配光原理，以及在X-X方向的配光原理，与具体实施方案1相同，也满足公式(1)和公式(2)的配光条件。
图17为该具体实施方案的配光曲面，共有2条曲线，其中一条呈偏轴分布，其最强光强方向偏离正下方的0度方位约40°，另外一条呈对称的蝙蝠翼分布，其光束角全角大小约为148°(即±74°)，与设计目标相符合。
图18为本发明所涉及的二次光学透镜，其具体实施方案2对道路照明，路面上的辉度(亮度)分析结果，可以看出其所有的指标都满足ME4a的城市道路照明设计标准，其整体的辉度均匀度U0为0.41，其纵向均匀度UL为0.6，眩光指数TI为11。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种能照射到3、5车道的COB模块LED路灯透镜的配光方法，其特征是使COB模块LED光源发出的光线先经过一个水滴形折射透镜(11)折射后再经过配光曲面透镜(12)二次折射以达到最佳照射效果；所述的水滴形折射透镜(11)沿着垂直于道路方向即Y-Y方向的剖面轮廓线由一段倾斜的较长的椭圆弧以及一段较短的圆弧组成，其沿着道路延伸的方向即X-X方向的剖面轮廓线为半圆形，水滴形折射透镜(11)曲面由其Y-Y方向的剖面轮廓线沿X-X方向的剖面轮廓线扫掠而成；配光曲面透镜(12)沿着Y-Y方向及X-X方向具有不同角度的非对称配光，它沿着Y-Y方向的剖面轮廓线，与光轴OZ有一个偏光角，且对单根光线的配光满足配光条件：
其中θ2为：为出射光线与光轴的夹角，光轴为过COB模块LED光源中心点O且与底面(14)垂直的直线；
θ1为入射光线与光轴的夹角；
Ψt为配光曲面透镜(12)的Y-Y剖面轮廓线上距离O点最远处的点与O点所连成的轴线OT与光轴OZ的夹角，Ψt为-58°；
Φr为配光曲面透镜(12)右边的边缘出射光线与光轴OZ的夹角,Φr＝52.5°；
沿着X-X方向的剖面轮廓线，为对称的马鞍形曲线，其配光曲面对单根光线的配光满足配光条件：
式中：δ1为入射光线OU与光轴OZ的夹角，δ2为出射光线VW与光轴的夹角；
配光曲面透镜(12)由Y-Y方向的剖面轮廓线沿X-X方向的剖面轮廓线扫掠而成；
这里正负号的定义为：偏离光轴OZ向左方射出的为负，偏离光轴OZ向右方出射的为正；OZ为经过COB模块LED光源发光面中心O点并垂直于发光面的光轴。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的水滴形折射透镜(11)沿着Y-Y方向的剖面轮廓线由一段倾斜的长椭圆弧ABC以及一段的圆弧CD组成；该椭圆的短轴为OB，长轴为OC，长轴与短轴的比例为1.6，短轴OB与光轴OZ的倾斜角τ为-19.3°，短轴的尺寸为10-20mm,以正好覆盖光源面圆弧CD与椭圆弧ABC共用一个圆心。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线，经过水滴形入射透镜(11)的凹面折射后，再通过上方的配光曲面透镜(12)进行配光，配光后出射光束的最强光强方向沿透镜偏光轴OT方向射出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的从COB模块LED光源发光面中心O点发出的所有光线经过水滴形入射透镜(11)的凹面进行折射，折射后的方向保持不变，光线没有偏折，直接由上方的配光曲面透镜(12)进行配光，配光之后出射的光线均匀地分配在与光轴OZ成±74°的范围内。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的短轴的尺寸为15mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的马鞍形曲线的中间位置比两肩最高的位置下凹0.30mm-0.36mm。
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