CN104392618B - 一种防眩光led灯的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防眩光LED灯的设计方法，其核心是在防眩光LED灯的透镜沉槽内增加消光镶件，多次调整消光镶件底面与沉槽槽口之间的距离h，得到每一次调整时的光强分布曲线，将中心光强的值与未增加消光镶件中心光强的初始值相对比，半角A度处的光强度的值与半角A度处的初始值相对比，半角B度处的光强度的值与半角B度处的初始值相对比，若中心光强衰减在预设标准百分比数之内，半角A度处的光强度的值衰减在40％以上，半角B度处的光强度的衰减在50％以上，则此时消光镶件底面与沉槽槽口之间的距离h的值为最佳h值。本发明在透镜沉槽内固定设有消光镶件，与不加消光镶件的原光学系统比，无效区域的边缘眩光有明显改善。

Description

一种防眩光LED灯的设计方法

技术领域

本发明涉及LED交通灯技术领域，特别涉及一种防眩光LED灯的设计方法。

背景技术

随着道路交通管理的提升，在路口的拍照监控装置越来越多，智能交通补光灯作为其组成部分之一，发挥着日益重要的作用。在拍照过程中，需要较强的光才能将场景拍摄清楚，但是强光给路边的行人以及机动车驾驶员造成刺眼的不舒适，也就是眩光，对于单车道的补光灯的无效光产生的眩光问题，单车道有效光学角度为14度，眩光阙角为20度，也就是是法向0度到单边10度旋转一周这个范围的光强，20度以外就是无效光。

现有技术中的防眩光灯分为三种：

第一种方案如图1所示，防眩光灯包括支架1、透镜3，支架1底部的LED光源容置空间内设有LED光源2，透镜内部设有槽4，槽4的槽底为一平面，没有聚光作用，因此中间光束的光对于中心光强贡献非常低，中心光强为0度方向的光强，也就是沿LED发光面的法线7的方向，LED发光面的法线7也为光轴；根据光学模拟软件以及实际产品测试，中间光束的光对于中心光强的贡献比例不超过5％，影响非常小，却是边缘眩光的根本来源，因此第一种方案会使得人们出现刺眼，使人不舒服。

第二种方案如图2所示，槽4的槽底41为改为外凸曲面，通过光路折射将中间光束准直，避免了无效眩光的产生，该方案对于近似点光源有效，但是LED光源本身不是点光源，发光面具有几何形状，同时该外凸曲面离LED光源较近，无法实现把光束都控制在20度范围之内，同时该凸面会把LED的几何形状成像出来，会出现花斑，第二种方案的透镜整体机械尺寸比较大，使得LED光源变成近似的点光源，可以实现把中间光束控制在20度范围内，由于透镜尺寸较大，因此相应的整灯体型体积也很大，制造成本高。

第三种方案如图3所示，在透镜外部放置一个消光栅格6，用于消除20度以外的无效眩光，如图3可以看出，消光栅格6相对于透镜是又高又长，使整灯高度增加非常多，体型偏大，不利于整灯的安装，且消光栅格6的成本很高。

发明内容

本发明的目的是克服现有产品中不足，本发明提供一种防眩光LED灯的设计方法，从而使LED灯具有结构简单、紧凑、成本低、不刺眼的效果。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种防眩光LED灯的设计方法，包括下列步骤：

在光学软件建模出透镜，透镜的顶面为出光面，透镜的侧面为一个全反射面或者反射面，在透镜底面上设有沉槽，该沉槽具有使光线进入到透镜的入射侧面、入射顶面，在沉槽槽口的正中心位置处设置LED光源，同时设置透镜出光面的大小和整灯的尺寸；

模拟LED光源发光，在沉槽内无消光镶件的情况下得到原始光强分布曲线，并得到中心光强的初始值，在有效光区域内半角A度处光强的初始值和半角B度处光强的初始值；

在透镜沉槽内增加消光镶件，多次调整消光镶件底面与沉槽槽口之间的距离h，得到每一次调整时的光强分布曲线，将中心光强的值与中心光强的初始值相对比，半角A度处的光强度的值与半角A度处的初始值相对比，半角B度处的光强度的值与半角B度处的的初始值相对比，若中心光强衰减在预设标准百分比数之内，半角A度处的光强度的值衰减在40％以上，半角B度处的光强度的衰减在50％以上，则此时消光镶件底面与沉槽槽口之间的距离h的值为最佳h值。

作为优选，消光镶件的底面所处的平面与入射侧面相交的位置刚好为透镜侧面有效光区域的最外侧光路的入射点，透镜侧面有效光区域指的是光线在透镜的入射侧面反射所在的有效区域。

作为优选，沉槽形状为圆柱形或圆台形。

作为优选，消光镶件的形状为圆柱体或圆台体。

作为优选，所述消光镶件顶面的大小与沉槽槽底的大小相同。

作为优选，所述消光镶件为一实心体。

作为优选，消光镶件为起到消光作用的塑料或金属。

本发明的有益效果如下：

1、本发明在透镜沉槽内固定设有消光镶件，与不加消光镶件的原光学系统比，无效区域的边缘眩光有明显改善，同时中心有效区域的光强变化非常小。该方案具有结构简单，紧凑，适用范围广，通用性好、成本低、易控制、防眩光范围大等优势。

2、本发明相对于传统结构，具有结构紧凑，成本低廉，通用性好，无花斑等光斑缺陷，中心光强影响小等优势，最重要的是肉眼不会直接观看到LED光源以及边缘无效杂光被消除，从而根本上改善了整灯的眩光，减少了智能交通灯对于附近行人、居民、驾驶员的光干扰，同时又几乎不影响拍照所需的光强度。

附图说明

图1为现有技术中的第一种方案的结构示意图；

图2为现有技术中的第二种方案的结构示意图；

图3为现有技术中的第三种方案的结构示意图；

图4为本发明一种防眩光LED灯的结构示意图；

图5为实施例中在TRACEPRO软件中发光面为1.7mm×1.7mm的LED光源的光强分布图；

图6为实施例中在TRACEPRO软件中设置沉槽内无消光镶件的光强分布曲线图；

图7为实施例TRACEPRO软件中增加消光镶件、h为3mm的光强分布曲线图；

图8为实施例TRACEPRO软件中增加消光镶件、h为3.3mm的光强分布曲线图；

图9为实施例TRACEPRO软件中增加消光镶件、h为3.5mm的光强分布曲线图；

图10为实施例TRACEPRO软件中增加消光镶件、h为3.8mm的光强分布曲线图；

图11为TRACEPRO软件中增加消光镶件、h为4.5mm的光强分布曲线图；

图12为实施例中将消光镶件厚度设置为0时的LED灯的发光效果示意图；

图13为实施例中消光镶件高度1.7mm，且开设直径为1mm的中间孔，H值为3.5mm时的发光效果图；

图14为实施例消光镶件高度6.61mm，中间孔直径为1mm，消光镶件高度为6.61mm,H为3.5mm时的发光效果图；

图15为基于图14的基础上得到的光强分布曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图4所示，本实施例的一种防眩光LED灯，包括LED光源61、透镜62与支架6，透镜62的顶面623为出光面，透镜62的侧面622为一个全反射面或者反射面，在透镜62底面上设有沉槽621，该沉槽621具有使光线进入到透镜62的入射侧面624、入射顶面625，LED光源61处在沉槽621槽口的正中心位置处，在沉槽621的入射顶面625上固定设有消光镶件5，消光镶件5的底面51所处的平面与入射侧面624相交的位置刚好为透镜62侧面有效光区域的最外侧光路的入射点8。

具体的说，消光镶件5为起到消光作用的塑料或金属，如消光镶件5与透镜62材质相同则两者可通过超声波焊接在一起；或者消光镶件5与沉槽621的入射顶面625通过胶水粘合在一起。

沉槽621形状为上小下大的圆台形。消光镶件5的形状为圆柱体。LED光源61的中间光线被消光镶件5挡住，因此中间光线无法射出，处在中间光线的两侧的光线通过透镜62的侧面622反射，再通过透镜62的顶面623将光线准直射出。

消光镶件5底面与沉槽621的槽口之间的距离h是一个重要的参数，透镜62的侧面622分为光线有效区域S及加工余量段Y，若消光镶件5底部与LED光源61之间的距离偏大，就会有光从加工余量段Y射出光线，具体的说就是，光从透镜62侧面的有效区域S的边界以外的位置将光线射出或者光直接通过透镜62的顶面直接射出，此时就会产生眩光。若消光镶件5底部与沉槽621的槽口之间的距离h偏低，会导致沉槽621的入射侧面624的过多的光束被挡，影响LED光照强度及中间光的光强。

因此，在设计时需要调整消光镶件5底面与沉槽621的槽口之间的距离h至最佳h值，即使得消光镶件5的底部或消光镶件5的底面所处的平面与沉槽621的入射侧面相交的位置刚好为反射面有效区域S的最外侧光路的入射点8，反射面有效区域S指的是光线在透镜62的入射侧面发生反射所在的有效区域，最外侧光路的入射点8通过透镜62的侧面622反射，再通过透镜62的顶面将光线准直射出。透镜62侧面所在有效区域S之外的区域为加工余量段Y，若有光线从加工余量段Y射出光线，则会产生眩光问题。中间光被消光镶件5挡住，中间光无法射出，肉眼无法直接观看到LED光源，有效解决了眩光问题。

本发明和现有技术中第一种方案相比，在沉槽的入射顶面上固定设有消光镶件，LED光源的中间光线被消光镶件挡住，使肉眼无法直视LED光源，并且消除了20度以外的无效杂光。

本发明与现有技术中第二种方案对比，本发明的LED光源61的中间光线被消光镶件5挡住，因此中间光线无法射出，本发明的牺牲了中间光束，使其没有光漏出，因而也就不存在花斑的问题。

本发明和现有技术中第三种方案相对比，其整体高度还与原来保持一样，使得结构更加紧凑，通用性好，因此有利于整灯的安装，体积小。

一种防眩光LED灯的设计加工方法，包括下列步骤：

采用TRACEPRO软件进行模拟，将本发明一种防眩光LED灯的结构导入到软件中，设置LED光源发光面定义为1.7mm×1.7mm，整灯尺寸为φ20.8mm×13.2mm；LED光源自身的光强曲线如图5所示。

通过TRACEPRO软件整灯模拟光学系统：如图6所示，设置无消光镶件得到原始光强分布曲线，得到0度中心光强的初始值为3000cd，半角12度处光强的初始值为200cd，半角14度处光强的初始值为100cd。

如图7所示，TRACEPRO软件中增加消光镶件，并得到h值为3mm的光强分布曲线图，中心光强的值为2580cd，为初始值的86％，半角12度处的光强为100cd，为初始值的50％，该方向的眩光较初始值衰减了50％，半角14度处的光强为40cd，为初始值的40％，该方向的眩光较初始值衰减了60％；

如图8所示，TRACEPRO软件中增加消光镶件，并得到h值为3.3mm的光强分布曲线图，中心光强的值为2900cd，为初始值的96.7％，半角12度处的光强为100cd，为初始值的50％，该方向的眩光较初始值衰减了50％，半角14度处的光强为40cd，为初始值的40％，该方向的眩光较初始值衰减了60％；

如图9所示，TRACEPRO软件中增加消光镶件，并得到h值为3.5mm的光强分布曲线图，中心光强的值为2950cd，为初始值的98.3％，半角12度处的光强为100cd，为初始值的50％，该方向的眩光较初始值衰减了50％，半角14度处的光强为40cd，为初始值的40％，该方向的眩光较初始值衰减了60％；

如图10所示，TRACEPRO软件中增加消光镶件，并得到h值为3.8mm的光强分布曲线图，中心光强的值为2900cd，为初始值的98.7％，半角12度处的光强为100cd，为初始值的50％，该方向的眩光较初始值衰减了50％，半角14度处的光强为40cd，为初始值的40％，该方向的眩光较初始值衰减了60％；

如图11所示，TRACEPRO软件中增加消光镶件，并得到h值为4.5mm的光强分布曲线图，中心光强的值为2970cd，为初始值的98.8％，半角12度处的光强为148cd，为初始值的74％，该方向的眩光较初始值衰减了26％，半角14度处的光强为52cd，为初始值的52％，该方向的眩光较初始值衰减了48％；

从以上数据对比可以得出，H在3.3-3.8之间比较合适。中心光强衰减在5％之内，而在12度，14度方向的眩光分别衰减了50％和60％。

H值过低，例如3mm，中心光强衰减达到了14％。

H值过高，例如4.5mm,12度.14度方向的眩光只分别衰减了26％和48％，效果不如H值在3.3-3.8之间。

为证明本发明的实用性与有效性，再进行消光镶件中间开孔的理论模拟：

由于消光镶件是将中间的光全部吸收，因此从常识认为不仅将20度以外的杂光消除，同时也将20度以内的有效光也吸收，如果中间开个孔，只让20度以内的光通过，20度以外的光消除，是否会更好？

现在做如下系统理论分析：

LED光源发光面定义1.7*1.7mm，那么对角线为2.4mm，所以按2.4mmLED光源直径来计算：

方案一，如图12所示，中间挖一个点(点的直径近似为0)，消光镶件厚度近似为0；在H值为3.5mm时，中间光对应的光束角为38度，超过20度。

方案二，如图13所示，将消光镶件5高度提高到1.7mm，消光镶件5中间开设通透的中间孔52，中间孔52的直径为1mm，H值为3.5mm,如图可知，中间最大光束角依然有36度，超过20度。

方案三，如图14所示，中间孔52直径为1mm，消光镶件高度为6.61mm,H为3.5mm，最大光束角为20度，无20度以外的光，然后在tracepro软件中模拟这部分光的贡献，得到如图15所示的光强曲线图，在图15中，中心光强(也就是0度方向的光强，也就是LED发光面的法向方向)，中心光强I0＝15.3cd，初始值为3000，15.3/3000＝0.51％，几乎可以忽略不计。同时该结构制造难度大，工艺性较本发明的结构复杂，不利于批量生产。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。

总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种防眩光LED灯的设计方法，其特征在于，包括下列步骤：

在光学软件建模出透镜，透镜的顶面为出光面，透镜的侧面为一个反射面，在透镜底面上设有沉槽，该沉槽具有使光线进入到透镜的入射侧面、入射顶面，在沉槽槽口的正中心位置处设置LED光源，同时设置透镜出光面的大小和整灯的尺寸；

模拟LED光源发光，在沉槽内无消光镶件的情况下得到原始光强分布曲线，并得到中心光强的初始值，在有效光区域内半角A度处光强的初始值和半角B度处光强的初始值；

在透镜沉槽内增加消光镶件，消光镶件的底面所处的平面与入射侧面相交的位置刚好为透镜侧面有效光区域的最外侧光路的入射点，透镜侧面有效光区域指的是光线在透镜的入射侧面反射所在的有效区域；多次调整消光镶件底面与沉槽槽口之间的距离h，得到每一次调整时的光强分布曲线，将中心光强的值与中心光强的初始值相对比，半角A度处的光强度的值与半角A度处的初始值相对比，半角B度处的光强度的值与半角B度处的的初始值相对比，若中心光强衰减在预设标准百分比数之内，半角A度处的光强度的值衰减在40％以上，半角B度处的光强度的衰减在50％以上，则此时消光镶件底面与沉槽槽口之间的距离h的值为最佳h值。

2.根据权利要求1所述一种防眩光LED灯的设计方法，其特征在于，所述沉槽形状为圆柱形或圆台形。

3.根据权利要求1所述一种防眩光LED灯的设计方法，其特征在于，所述消光镶件的形状为圆柱体或圆台体。

4.根据权利要求1所述一种防眩光LED灯的设计方法，其特征在于，所述消光镶件顶面的大小与沉槽槽底的大小相同。

5.根据权利要求1所述一种防眩光LED灯的设计方法，其特征在于，所述消光镶件为一实心体。