CN104456418A - 有小面的led路灯透镜 - Google Patents

Abstract

LED路灯的透镜具有外部的弯曲表面，在该外部弯曲表面的一侧上具有凹面部分。透镜的后表面具有微棱镜阵列和定位足。后表面中的凹陷接收LED光源。透镜的外表面具有小面或窗部，其提供来自相邻小面的光的重叠投射。透镜大体上是垫子形状，在一侧具有齿状结构。透镜在其横向上以不对称分布引导光并且在其纵向上在宽范围上对称地引导光。

Description

有小面的LED路灯透镜

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月16日申请的US序列号14/027,827的优先权，其在此引入作为参考。

技术领域

本申请总体上涉及用于路灯中的透镜，更具体涉及用于发光二极管（“LED”）路灯的透镜。

背景技术

LED是能量有效的和环境友好的并且具有发光效率高和工作寿命长的特点。因此，作为新一代的绿色、能量有效的光源，已经看到了LED总体上在照明设备中并且特别是在道路照明中更广泛的应用。LED路灯在为了节能的道路照明设施改革中变成首要选择。然而，从照明的角度来说，LED路灯仍然面临四个方面的技术问题，即照明效率、配光、光衰减和色温。由于在LED半导体技术、二次配光技术和热辐射技术中的快速发展，在LED路灯的照明效率、配光和光衰减方面已经取得显著提高。

例如，各种次级光学透镜类型，例如具有自由弯曲表面的花生状、马鞍状或用于偏光的不对称弯曲表面的那些，能够将LED发出的光分布成矩形的高效均匀的光斑。用于配光的弯曲表面采用蝙蝠翼形状可良好地适合于满足中国城市道路照明的设计标准。

然而，直到现在还没有对于LED路灯的色温差（即色差）的令人满意的解决方案。荧光粉在LED芯片的发光表面上的不均匀应用和次级光学透镜固有的色差通常会在投射光斑的中间和边缘产生不同的色温。光斑在中间微蓝，具有较高的色温，而在边缘微黄，具有较低的色温。另外，色温是影响LED路灯性能的重要参数，并且其空间分布对于产品性能是高度重要的。

相关色温是指最类似于相同亮度刺激的颜色的标准黑体的温度。相比于LED路灯的相关色温的空间分布中的高达几百K的差值，可被人眼识别的相关色温差可以低至50-100K。具有色差的透镜将会在路面上产生高度区别性的黄白相间的“光学斑马线”，并且因此严重影响路灯的视觉效果。

发明内容

考虑到以上情况，本发明的第一方面提供了LED路灯的次级光学透镜，所述路灯整合有特征为自由弯曲表面的光学透镜以便利用有小面的表面技术进行倾斜的配光，其提供了光混合效果。路灯透镜将LED发出的光线沿着透镜的X-X或纵向部分（沿着道路的方向）分布在宽角度上和沿着透镜的Y-Y或横向部分（垂直于道路的方向）分布在不对称的和倾斜的角度上。提供透镜的配光的透镜弯曲表面上具有很多提供光混合功能的微小的小面，从每个微小的小面输出的所有光线具有它们自己的很小的分散角，并且由于附近小面发出的光斑的重叠，它们形成色温均匀的光斑。这种构形完全解决了LED路灯光斑的色差问题，即在光斑的中间微蓝而在光斑的边缘微黄，消除了路面的“光学斑马线”，并且因此确保路面上的光斑均匀分布。

由于根据本发明的该第一方面的次级光学透镜具有光混合效果，所以为这种透镜采用的LED可以包括单芯片LED、多芯片LED、COB（板上芯片）模块LED光源。COB模块是其中多个芯片阵列整合在同一印刷电路板上形成光源模块的装置。光斑将不会投射LED的多芯片阵列的影子。

在本发明的第二方面中，与具有初级透镜的LED光源一起使用的LED路灯的透镜，包括次级光学透镜的透镜本体，该透镜本体具有由其发出光的弯曲的外表面，弯曲的外表面具有第一周界部分和与第一周界部分相对的第二周界部分；与弯曲的外表面相对的后表面，后表面限定了接收LED光源的凹陷，与接近第二周界部分的程度相比，该凹陷更接近第一周界部分；形成于后表面上的反射微棱镜阵列；弯曲的外表面在第一周界部分限定了凹面部分；在弯曲的外表面上的多个小面；和用于安装透镜本体的安装结构。

在本发明的另一个方面中，透镜本体具有纵轴和横轴，透镜本体成形为提供光学特征以在沿着纵轴的截面上在宽分布角度上发出来自LED光源的光并且在沿着横轴的截面上在倾斜的分布角度上发出来自LED光源的光。

在本发明的另一个方面中，在透镜本体的弯曲外表面上的每个小面被构形成在窄角度上输出光，小面被布置成发出与从其它小面发出的光重叠的光斑以提供光混合，从而从次级透镜输出色温基本上均匀的光。

在本发明的另一个方面中，透镜本体的弯曲外表面成形为在折射轴发出光，该折射轴在沿着横轴的透镜本体的截面上以下列角度布置：相对于光源光轴在30度和70度的闭合区间之间。

在本发明的另一个方面中，凹陷包括面对LED光源的表面，其被构形成收集由LED光源发出的光线并且向着用于配光的外部弯曲表面折射光线。

在本发明的另一个方面中，在后表面上的反射微棱镜阵列被构形成收集由弯曲的外表面在内部反射的光并且向着弯曲的外表面反射收集的光以通过透镜本体进行分布。

在本发明的另一个方面中，安装结构包括从透镜本体的后表面伸出的多个定位足，定位足是非光学元件。

在本发明的另一个方面中，透镜本体被构形成与至少一个选自下列的LED光源一起使用：单芯片LED光源，多芯片LED光源，和板上芯片模块LED光源。

在本发明的另一个方面中，透镜本体成形为折射来自光源中心的光从而使从透镜本体发出的光在有折射轴的情况下发出，折射轴在沿着透镜本体横轴的截面上以距LED光源光轴在30度和70度闭合区间之间的角度布置，透镜本体成形为折射来自光源中心的光从而使边缘的发出光线在沿着透镜横轴的截面上以相对于光源光轴的-20度到-45度闭合区间的角度布置。

在本发明的另一个方面中，透镜本体被成形为以相对于光源光轴的角度θ1折射从光源中心发出的单个光线从而使该光线以相对于光源光轴的角度θ2从弯曲的外表面发出，其中θ1和θ2满足等式：

其中δ是在沿着透镜横轴的截面上，折射轴相对于光源光轴的角度，α是在沿着透镜横轴的截面上，边缘光线相对于光源光轴的角度。

在本发明的另一个方面中，透镜本体成形为折射来自光源中心的光从而使从透镜本体发出的光在沿着透镜纵轴的截面上以120度到155度闭合区间之间的发射角分布。

在本发明的另一个方面中，透镜本体成形为以相对于光源光轴的角度ξ1折射从光源中心发出的单个光线从而使该光线以相对于光源光轴的角度ξ2从弯曲的外表面发出，其中ξ1和ξ2满足等式：

其中ψ是在沿着透镜纵轴的截面上，来自透镜本体的光的分布角度。

在本发明的另一个方面中，小面包括平面、凹面和凸面中的至少一个，小面被布置成发出光斑，该光斑与从其它小面发出的光重叠，以提供光混合从而从次级透镜输出色温基本上均匀的光。

在本发明的另一个方面中，在弯曲外表面上的小面的表面和小面参照光源中心在凹陷的内表面上的投影形成假透镜，其对于从小面发出的光具有发散效果，其中从光源的中心发出通过小面的光以大约3度到5度闭合区间的发散角沿着沿透镜横轴截取的截面传播。

在本发明的另一个方面中，在弯曲外表面上的小面的表面和小面参照光源中心在凹陷的内表面上的投影形成假透镜，其对于从小面发出的光具有发散效果，其中从光源的中心发出通过小面的光以大约3度到5度闭合区间的发散角沿着沿透镜纵轴截取的截面传播。

在本发明的另一个方面中，在透镜本体的后表面上的微棱镜阵列包括金字塔反射器结构、立方角反射器结构和圆锥形反射器结构之一。

在本发明的进一步方面中，提供了将来自LED光源的光引导到表面上的方法，包括：在主要发出方向上以发出图案引导来自LED光源的光，其中发出图案在与发出方向呈横向的方向上是细长的；混合来自LED光源的光的折射颜色以在主要发出方向上提供混合颜色的发出光；和再次引导从主要发出方向反射的来自LED光源的光从而使反射光返回到主要发出方向。

在本发明的又一个方面中，提供了将来自LED光源的光引导到表面上的方法，光源限定了平行于LED光源的发光表面的平行平面，该方法包括：用光学本体的第一折射表面包围LED光源的发光部分；将第一折射表面布置在第一垂直平面中距LED光源基本上恒定的距离处；将第一折射表面布置在第二垂直平面中距LED光源的可变距离处，第一和第二垂直平面彼此垂直并且垂直于LED光源的平行平面；将来自LED光源的光引导到光学本体的第一折射表面中；从光学本体的第二折射表面发出来自LED光源的光，发出的光限定了从第一垂直平面偏离一角度的折射轴，发出的光的折射轴布置在第二垂直平面中，发出的光在折射轴具有最大亮度；发出光包括以发出图案从LED光源发出光，发出图案沿着平行于第一垂直平面的轴具有较大长度并且沿着第二垂直平面中的轴具有较小长度；通过引导发出的光通过第二折射表面的多个小面表面而混合发出的光的折射颜色；在第二折射表面反射一部分来自LED光源的光以产生第一反射光；和在反射表面反射第一反射光以提供第二反射光，第二反射光被引导向第二折射表面。

附图说明

附图仅仅用于说明目的并且不一定按比例绘制。然而，当与附图结合理解时通过参考随后的详细说明可以最好地理解发明本身，其中：

图1是根据本发明原理的LED路灯透镜的正视图；

图2是图1的路灯透镜的等距视图；

图3是路灯透镜的顶视平面图；

图4是路灯透镜的侧视图；

图5是路灯透镜的底视平面图；

图6是沿着图3的线X-X的路灯透镜的截面图；

图7是沿着图3的线Y-Y的路灯透镜的截面图；

图8是来自路灯透镜的光分布的示意图；

图9是从路灯透镜发出的单个光线的示意图；

图10是沿着路灯透镜的X轴的光分布的示意图；

图11是沿着X轴从路灯透镜发出的单个光线的示意图；

图12是沿着Y轴从路灯透镜发出的相邻光线的示意图；

图13是沿着X轴从路灯透镜发出的相邻光线的示意图；

图14是从包括微棱镜后平面的路灯透镜发出的单个光线的示意图；

图15是路灯透镜的3D模型的侧视图；

图16是路灯透镜的3D模型的前透视图；

图17是路灯透镜的3D模型的后透视图；

图18是来自路灯透镜的端视图的光线追迹图；

图19是来自路灯透镜的侧视图的光线追迹图；

图20是从路灯透镜输出的光的轮廓线的图；

图21是沿着图20的Y轴输出的光的轮廓线的侧视图；

图22是沿着图20的X轴输出的光的轮廓线的侧视图；

图23是由路灯透镜发出的光分布的图；和

图24是由使用路灯透镜的路灯在三车道路面上照明的图解。

具体实施方式

在图1中，显示了路灯的透镜元件10的正视图。透镜10具有拱形外表面12，其在中间部分15是细长的，中间部分15成形为具有很大半径的弯曲。拱形表面12的端部16更锐利地弯曲成具有较小半径的弯曲。拱形表面12向下延伸（参考所绘的图）至周界带17，其围绕透镜10的外部周界延伸。拱形表面12在拱形表面10上成形为具有小面或小窗部18的图案。周界17同样具有小面或小窗部19。

与拱形表面12相对的后表面13提供有微棱镜20。三个腿部14从后表面13伸出。

图2显示了总体上垫子形状的透镜10，在拱形外表面12上具有总体上矩形的小面或窗部18的布置。周界带17包括总体上矩形的小面或窗部19。三角形的小面或窗部22布置在周界带17和拱形表面12之间的交界面上位于过渡区中。过渡区还包括梯形的小面或窗部24。

参考图3，透镜10关于Y轴对称且关于X轴不对称。由线X-X表示的X轴偏离透镜10的中心线。X轴将较大部分26与较小部分28分开。较大部分26的周界在形状上是凸起的，而较小部分28的周界包括凸起的端部和具有凹陷形状的中心部分30。换句话说，周界在较小部分28的中心30处是略微锯齿状的，或凹陷的。

在图4的端视图中，透镜10具有偏移向较大部分26的腿部14。特别是，腿部14a布置在较大部分26的周界17附近。腿部14b布置在透镜10的X轴处或附近。在较小部分28的周界处没有腿部。

图5显示了后表面13的视图。除了包括凹入的凹陷11的中心部分32之外，后表面13被覆盖在微棱镜20中。中心部分32的形状是矩形的，凹陷11是椭圆形或卵形的。三个腿部14位于微棱镜部分20中并且在平面图中是圆形的。腿部之一14a布置在Y轴上位于凹陷11的长轴和周界17之间，另外两个腿部14b在X轴上沿着椭圆形凹陷11的短轴位于凹陷11和周界17之间。提供了腿部14用于在将透镜10组装在路灯设备中使用时将透镜10安装和/或保持在合适位置中。腿部14可以具有安装透镜所要求的任何形状。

参考图6，沿着X轴以截面的方式显示透镜10。截面图延伸穿过腿部14b和穿过后表面13上的微棱镜20。优选实施方案的微棱镜20提供有反射涂层，尽管在其它实施方案中其可以没有涂层。凹陷11在这个截面中具有总体上半圆形的形状，多芯片LED光源34安装在凹陷11处。光源24包括底座36，其上可以安装包括一个或多个LED元件38的电气部件。透镜40安装在光源的底座36上。透镜40延伸到与凹陷11的表面相邻。在LED光源34上的透镜40可以被称为初级透镜而透镜10可以被称为次级光学透镜。

与本发明透镜一起使用的LED光源可以包括单芯片LED、多芯片LED或COB（板上芯片）模块LED光源。当然，其它光源是可能的。将透镜10构造成如果使用了多芯片阵列的话，使发出的光斑不会投射多芯片阵列的LED的影子。

在图7中，在沿着Y轴截取的这个截面图中，次级透镜10包括相对于X轴偏离且相对于凹陷11偏离的拱形外表面12。腿部14从微棱镜形成的后表面13延伸到凹陷11的一侧。LED光源34位于凹陷11中，其中底座36和初级透镜40总体上沿着次级透镜10的X轴。在这个截面图中，初级透镜40是半圆形的，而凹陷11在次级透镜10的Y方向上是细长的。这导致初级透镜40和次级透镜10之间的间隙42。该间隙42在初级透镜的顶点最窄并且向两侧增加。间隙是不对称的并且向着次级透镜10的较大部分26比向着较小部分28更大。次级透镜10的不对称形状导致透镜10的本体在较大部分26较厚并且在较小部分28较薄。

转到图8，在沿着Y-Y轴的截面中显示了光分布图案44。光源34包括多个LED光源，其将来自底座36的光投射通过初级透镜40。初级透镜40可以是半球形或抛物面形状或其它形状。在一个实例中，初级透镜是旋转地对称的。由从光源34伸出的径向线表示的光被初级透镜40分布在大约180度的宽角度上，尽管由于LED特性，在光源的光轴发出的光很可能是有优势的。

离开光源34的光遇到凹陷11的内表面并且进入次级透镜10。次级透镜10的折射和成形联合导致从次级透镜发出的光具有不对称分布。特别是，发出的光被沿着主要方向T被引导，主要方向T与在O点来自底座36的垂直方向Z呈角度δ。由透镜10发出的光束的折射角向着主要方向T弯折，从而主要方向可以被称为折射轴。用另外的方式来说，折射轴与光源的垂线Z呈角度δ。在透镜10的较小部分发出的光呈最大折射角α，该较小部分由于透镜10的不对称结构而更接近光源34。

在涉及的次级光学透镜的弯曲外表面12的基准面上沿着Y-Y截面的配光原理如下。从多芯片LED光源34的发光面中心处的点O发出的光线被凹陷11的凹入入射面折射到弯曲表面12的基准面上。弯曲外表面12的基准面以倾斜方式分布入射光线并且出射光线的轴是OT，即在配光之后，所有的出射光束沿着OT轴射出。透镜10的折射轴OT与经过LED发光面中心的点O并且垂直于芯片发光面的光源光轴OZ之间的角度为δ；δ在30度和70度之间；在此δ优选选择为45度。对于从芯片发光面中心的点O发出并且横穿弯曲表面12的基准面最右侧的边缘光线，出射边缘光线和光轴OZ之间的角度是α；其中α在-20度和-45度之间，并且在此α优选选择为-35度。在此假设当光线在光轴OZ的左侧时角度是正值，而当其在OZ的右侧时是负值。

在图9中从次级透镜10发出单个光线。该单个光线解释了光沿着透镜10的Y轴的分布。对于根据优选实施方案的次级光学透镜10，通过弯曲外表面12的基准面沿着Y-Y截面分布光线。从多芯片LED光源34的发光面中心处的点O发出的光线OB被凹陷11的凹入入射面折射到弯曲表面12的基准面上的点C上，并且在配光之后作为光线CD输出。假设光线OB和光源的光轴OZ之间的角度是θ1并且出射光线CD和光轴OZ之间的角度是θ2，θ1和θ2都要满足下列配光条件：

   等式（1）

在沿着弯曲表面12基准面的Y-Y截面的轮廓线上的每个点的坐标（X，Y）可以根据如等式（1）中表明的出射和入射光线的配光条件利用曲线的数值计算方法中的迭代法来计算。因此该截面的轮廓线形状可以被确定。

在图10中，沿着次级光学透镜10的X-X截面的光分布提供了与沿着Y-Y轴的光分布不同的分布图案。在弯曲外表面12的基准面上沿着X-X截面的配光原理提供了宽的、对称的分布。从多芯片LED光源34的发光面中心处的点O发出的光线被凹陷11的凹入入射面折射到弯曲外表面12的基准面上。弯曲外表面12的基准面将入射光线分布在宽角度的光谱上。出射光线的角度具有2ψ的全宽；2ψ在120度和155度之间，并且在此2ψ优选选择为150度。

在图11中，沿着透镜10的X-X截面的单个光线从次级光学透镜的弯曲外表面12发出。光沿着X-X截面的分布参考单个光线进行解释。从多芯片LED光源34的发光面中心处的点O发出的光线OP被凹陷11的凹入入射面折射到弯曲外表面12的基准面上的点Q上并且在配光之后作为光线QR输出。假设光线OP和光源的光轴OZ之间的角度是ξ1并且出射光线QR和光轴OZ之间的角度是ξ2，ξ1和ξ2都要满足下列配光条件：

   等式（2）

沿着弯曲表面12基准面的X-X截面的轮廓线上的每个点的坐标（X，Y）可以根据如等式（2）中表明的出射和入射光线的配光条件利用曲线的数值计算方法中的迭代法来计算。因此该截面的轮廓线形状可以被确定。

根据以上等式（1）和（2）计算的弯曲表面12基准面在X-X和Y-Y截面上的轮廓线进一步由3D建模软件扫描以便建立透镜的3D实体模型。

弯曲的外表面12在根据配光等式（1）和（2）构造的3D实体透镜模型中被假设为光滑的弯曲表面，这将会导致投射的光斑具有色差，即在中间微蓝和在边缘微黄，这是由于光的不同颜色被透镜折射产生的差别。在优选的实施方案中，在弯曲的外表面12上提供光混合的小面或窗部。所谓的光混合的小面或窗部可以采取小的平面、小的凸面或小的凹面的形式。小面或窗部产生具有很小分散角的分散光束，由每个小面产生的分散光束重叠产生光混合效果。重叠的光斑具有比较均匀的色温。根据一个实施方案，优选选择小的平面小面用于光混合。

参考图12，在沿着Y-Y截面的示意图中在次级光学透镜10的弯曲外表面12上显示了单个小面或窗部C，其表示光混合。在单个小面的该实例中的光混合发生在次级光学透镜10的整个外表面12上。假设入射在弯曲表面上的小面上的光确定了由外表面12上的线C1-C’-C2建立的夹角。弧线或平分线具有R’的曲率半径。小面表面在凹陷表面上的投影由线C1-C-C2建立，其具有R的局部曲率半径。由线C1-C’-C2确定的小面在外表面上的投影和由线C1-C-C2确定的小面在凹陷的内表面上的投影将会形成微小的假透镜。从LED发光面中心处的点O发出的光线在经过这个假透镜之后将会产生大小为±△θ的发散角。发散角±△θ等于形成的假透镜的数值孔径角，并且关联于小面的曲率半径R’和弯曲表面12的基准面、或凹陷的内表面在这个点的局部曲率半径R。对于小面分散角△θ，优选选择大约3度到大约5度的范围。由小面引起的分散使由小面输出的光重叠并由此提供来自附近小面的光的颜色混合。

参考图13，沿着X-X截面示出了由弯曲外表面12上的单个小面带来的光混合分散。单个小面的光混合示意图可以转换到次级光学透镜10的弯曲外表面12上的多个小面上。假设在弯曲表面12上的小面的截面上的入射光角度由线Q1-Q’-Q2的夹角确定；弧线具有R’的曲率半径；并且投射的入射光由在基准面或凹陷的表面上的线Q1-Q-Q2的角度确定，并且这个内表面具有R的局部曲率半径，由线Q1-Q’-Q2和Q1-Q-Q2确定的表面将会形成微小的假透镜。从LED发光面中心处的点O发出的光线在经过这个假透镜之后将会产生大小为±△ξ的发散角。发散角±△ξ等于形成的假透镜的数值孔径角，并且关联于小面的曲率半径R’和弯曲表面12的基准面在这个点的局部曲率半径R。对于△ξ，优选选择大约3度到大约5度的范围。

由透镜的弯曲表面12上的许多小面产生的漫射光束发生重叠并且混合以在路面上形成色温均匀的光斑，因此基本上消除了在光斑中间和边缘之间的色温差。

目前，对于光分散和克服衍射效果的讨论关注在外表面12上。后表面13被假设为光滑的且对于发出的光没有影响。在图14中，在后表面13上提供微棱镜以由在次级光学透镜10的后部形成的微棱镜20提供杂散光收集。

当次级光学透镜10的弯曲外表面12在X-X截面上分布入射光线时，出射光束具有很大的角度。因此，菲涅尔反射损失在透镜介质/空气交界面上将会非常高。这种菲涅尔反射损失将会以杂散光的形式被空气交界面反射到透镜10的后部13上，如图14中的虚线QS所示。如果透镜的后部13没有以任何方式进行处理，则这部分光能量不能使用并且将会损失。考虑到这点，根据一个实施方案在透镜的后部提供具有反射作用的微棱镜阵列20。微棱镜阵列20可以由具有金字塔形状、立方角形状或圆锥形状结构的元件形成；在此优选选择金字塔结构用于微棱镜元件。金字塔反射器结构可以实现杂散光QS的两个全反射，重新收集光QS并且将其向着透镜的前部投射（如图14的虚线TU所示）。因而，可以将输出光引导到路面上（图9中所示的输出光线UV），因此将透镜的输出效率最大化。

图15是次级光学透镜10的3D模型，其显示了元件的相对位置。光源34放置在偏离透镜10中心的位置，具有小面的外表面12提供了平面、凸面或凹面部分或窗部用于分布发出的光而不会由于折射而使颜色分离。在这个实施方案中，光源34的下表面与后表面13的微棱镜阵列20的顶点齐平。

图16显示了外表面12，其包括拱形表面12上的小面或窗部18和周界17上的小面19。图17显示了具有微棱镜阵列20的后表面13和其中安装有光源34的凹陷11。

转到图18和19，在一个实例中，呈美国CREE MKR四芯片LED形式的具有800流明光通量的LED光源34安装在根据本发明实施方案的路灯透镜10中。观察屏放置在透镜前方10米处。从有小面的透镜10发出的光线的轨迹在图18和19中分别在横向和纵向方向上示出，在图18的横向视图中，光线是不对称的，其中光向着透镜10的较大部分集中。在图19的纵向视图中，光线均匀分布。

图20显示了在位于透镜10前方10米处的观察屏上的照明强度的轮廓线46，可以看到所得的光斑48分布为细长的椭圆形。当安装在路面上方时，在具有与道路方向平行的细长椭圆形的长轴的路灯设备中，光斑48沿着道路方向在长度上超过35米且垂直于道路方向为大约18米宽。图20的轮廓线的光强度值50绘制在图21和22中。

图23是透镜的光强度的远场角度分布图，即光分布的曲线。在H方向上，光分布的曲线52采用了宽角度蝙蝠翼的形状，其中光束角度具有大约150度的全宽。然而，在V方向上，光分布的曲线54是偏离轴的，其中光束角度具有大约80度的全宽。

对于沿着道路安装的LED路灯透镜运行模拟。对于该模拟，将透镜加上CREE MKR光源的IES文件输入到道路照明效果软件中。模拟假设道路是12米宽并且具有3个车道；道路是R3级道路具有0.8的维护系数并且由柏油构成；灯头位于10米的高度，灯柱在路面上方具有1米的外伸并且伸出臂为1.5米长；灯柱的间距为35米；和照明设备具有14000流明（140瓦特）的光通量。于是其照明和亮度（辉度）的所有均匀性参数满足道路照明的所有必要设计标准，如图14和图15所示。

模拟结果如下

图24显示了根据前述实例照明的三车道道路56的模拟。对于使用根据本实例的次级透镜10的两个相邻的路灯，光强度58的轮廓线在道路56上重叠。模拟显示了包括优选实施方案的次级光学透镜的140瓦灯的道路照明效果的结果。光分布在沿着道路方向延伸的细长区域中，光输出是有效的，因为一个灯光设备的光输出延伸到下一个灯光设备的光输出，并且过多的光没有逸出到道路以外的区域上。次级透镜10提供了路灯设备的光输出的控制。

道路照明模拟的数据包括下列结果：

因此，显示和描述了具有光混合效果和均匀色温的特征并且用于多芯片LED光源的次级光学透镜。透镜包括：用于配光的外部的有小面的弯曲表面，接近LED侧的凹入入射面，底部上的反射微棱镜阵列面，和用于组装目的的定位足。

次级光学透镜具有用于配光的其外部的有小面的弯曲表面，其具有下列光学特征：其将LED发出的光线分布在沿着X-X截面（沿着道路方向）的宽角度光谱内和沿着Y-Y截面（垂直于道路方向）的不对称和倾斜的光谱内。

次级光学透镜具有用于配光的外部弯曲表面，其上包括许多微小的小面用于光混合。从每个微小的小面输出的所有光线具有它们自己的非常小的漫射角，并且在重叠后它们形成色温均匀的光斑。

一实施方案的次级光学透镜具有用于配光的外部弯曲表面，其具有沿着Y-Y截面的倾斜轴。其与LED光轴的角度是δ，并且δ在30度和70度之间。

次级光学透镜优选具有其接近LED侧的凹入入射面以收集从LED发出的光线并且将其折射到用于配光的外部弯曲表面。

次级光学透镜可以在后表面上包括反射微棱镜阵列面以收集从用于配光的外部弯曲表面散射的杂散光并且通过用于配光的弯曲表面输出光，因此提高透镜的效率。

一个实施方案的次级光学透镜在后部具有用于组装目的的定位足，定位足是非光学部件并且可以是任何形状。

次级光学透镜可以与选自下列的光源一起使用：单芯片LED、多芯片LED和COB（板上芯片）模块LED光源。

次级光学透镜可以提供来自其弯曲外表面12的沿着Y-Y截面的光分布如下：从多芯片LED光源的发光面中心处的点O发出的光线被凹入入射面11折射到弯曲表面12的基准面上。弯曲表面12的基准面将入射光线以倾斜的方式分布并且出射光线的轴是OT，即在配光之后所有的出射光束沿着OT轴射出。折射轴OT和光轴OZ之间的角度是δ，并且δ在30度和70度之间。对于从芯片发光面中心处的点O发出并且横穿弯曲表面12基准面的最右侧的边缘光线，出射边缘光线和光轴OZ之间的角度是α，并且α在-20度和-45度之间。

次级光学透镜可以具有经由弯曲表面12的基准面沿着Y-Y截面的单个光线的分布如下：从多芯片LED光源的发光面中心处的点O发出的光线OB被凹入入射面11折射到弯曲表面12的基准面上的点C上并且在配光之后作为光线CD输出。假设光线OB和光轴OZ之间的角度是θ1并且出射光线CD和光轴OZ之间的角度是θ2，θ1和θ2都应当满足下列配光条件：

优选实施方案的次级光学透镜在其弯曲表面12的基准面上沿着X-X截面具有配光原理如下：从多芯片LED光源的发光面中心处的点O发出的光线被凹入入射面11折射到弯曲表面12的基准面上。弯曲表面12的基准面将入射光线分布在宽角度光谱中，出射光线的角度具有2ψ的全宽，并且2ψ在120度和155度之间。

次级光学透镜可以具有经由弯曲表面12的基准面沿着X-X截面的单个光线的分布如下：从多芯片LED光源的发光面中心处的点O发出的光线OP被凹入入射面11折射到弯曲表面12的基准面上的点Q上并且在配光之后作为光线QR输出。假设光线OP和光轴OZ之间的角度是ξ1并且出射光线QR和光轴OZ之间的角度是ξ2，ξ1和ξ2都应当满足下列配光条件：

示例性实施方案的次级光学透镜在其弯曲表面12上具有光混合小面或窗部，其可以采用小的平面、小的凸面或小的凹面的形式。小面产生具有非常小的漫射角度的漫射光束。漫射光束在重叠之后产生光混合效果。重叠的光斑具有均匀的色温。

次级光学透镜可以提供其弯曲表面12上的单个小面沿着Y-Y截面的光混合如下：假设弯曲表面12上的小面的截面的弧线是C1-C’-C2；这个弧线具有R’的曲率半径；并且弯曲表面12的基准面的弧线C1-C-C2在这个点具有R的局部曲率半径，则弧线C1-C’-C2和C1-C-C2将会形成微小的假透镜。从LED发光面中心处的点O发出的光线在经过这个假透镜之后在此将会产生大小为±△θ的发散角。发散角±△θ等于形成的假透镜的数值孔径角，并且关联于薄层的曲率半径R’和弯曲表面12的基准面在这个点的局部曲率半径R。对于△θ，优选选择3度到5度的范围。

一实例的次级光学透镜使用其弯曲表面12上的单个小面沿着X-X截面的光混合如下：假设附于弯曲表面12上的小薄层的截面的弧线是Q1-Q’-Q2；这个弧线具有R’的曲率半径并且弯曲表面12的基准面的弧线Q1-Q-Q2在这个点具有R的局部曲率半径，则弧线Q1-Q’-Q2和Q1-Q-Q2将会形成微小的假透镜。从LED发光面中心处的点O发出的光线在经过这个假透镜之后在此将会产生大小为±△ξ的发散角。发散角±△ξ等于形成的假透镜的数值孔径角，并且关联于薄层的曲率半径R’和弯曲表面12的基准面在这个点的局部曲率半径R。对于△ξ，优选选择3度到5度的范围。

次级光学透镜可以具有设计在其底部的带反射效果的微棱镜阵列，上述微棱镜可以具有金字塔、立方角或圆锥结构。

因此，提供了LED（发光二极管）道路照明的二次光学技术，特别是用于多芯片LED光源的具有光混合效果和色温均匀的特征的次级光学透镜。次级光学透镜的结构特征在于：透镜包括用于配光的外部层状的弯曲表面，接近LED侧的凹入入射面，在底部上的反射微棱镜阵列面，和用于组装目的的定位足。透镜的用于配光的外部层状的弯曲表面的光学特征如下：其将由LED发出的光线分布在沿着X-X截面的宽角度光谱内和沿着Y-Y截面的非轴对称的和倾斜的光谱内。这个用于配光的弯曲表面上具有许多微小的小面或窗部用于光混合效果。从每个微小的小面输出的所有光线具有它们自己的非常小的漫射角，并且它们重叠时形成色温均匀的光斑。这个弯曲表面具有沿着Y-Y截面的倾斜轴，并且与LED光轴形成角度δ；δ在30度和70度之间。次级光学透镜的凹入入射面接近LED侧，并且用于收集LED发出的光线和将其折射到用于配光的外部弯曲表面上。在次级光学透镜底部上的反射微棱镜阵列面用于收集从用于配光的外部弯曲表面散射的杂散光并且将其再次通过用于配光的弯曲表面输出，因此增加透镜的效率。次级光学透镜的用于组装目的的定位足是非光学部件并且可以具有任何形状。透镜采用的光源可以包括单芯片LED、多芯片LED和COB模块LED光源。

虽然在此已经说明和描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会理解各种替代的和/或等同的措施可以替换所示和所述的具体实施方案而不偏离本发明的范围。本申请是想要覆盖在此讨论的具体实施方案的任何调节或改变。因此，本发明仅仅由权利要求及其等同方案限定。

Claims (21)

1.一种与具有初级透镜的LED光源一起使用的LED路灯的透镜，包括：

次级光学透镜的透镜本体，该透镜本体具有：

由其发出光的弯曲的外表面，所述弯曲的外表面具有第一周界部分和与所述第一周界部分相对的第二周界部分；

与所述弯曲的外表面相对的后表面，所述后表面限定了接收所述LED光源的凹陷，与接近所述第二周界部分的程度相比，该凹陷更接近所述第一周界部分；

形成于所述后表面上的反射微棱镜阵列；

所述弯曲的外表面在所述第一周界部分限定了凹面部分；

在所述弯曲的外表面上的多个小面；和

用于安装所述透镜本体的安装结构。

2.如权利要求1所述的透镜，其中所述透镜本体具有纵轴和横轴，所述透镜本体成形为提供光学特征以在沿着所述纵轴的截面上在宽分布角度上发出来自所述LED光源的光并且在沿着所述横轴的截面上在倾斜的分布角度上发出来自所述LED光源的光。

3.如权利要求1所述的透镜，其中在所述透镜本体的所述弯曲外表面上的每个小面被构形成在窄角度上输出光，所述小面被布置成发出与从其它小面发出的光重叠的光斑以提供光混合，从而从所述次级透镜输出色温基本上均匀的光。

4.如权利要求2所述的透镜，其中所述透镜本体的所述弯曲外表面成形为在折射轴发出光，该折射轴在沿着所述横轴的所述透镜本体的截面上以下列角度布置：相对于所述光源的光轴在30度和70度的闭合区间之间。

5.如权利要求1所述的透镜，其中所述凹陷包括面对所述LED光源的表面，其被构形成收集由所述LED光源发出的光线并且向着用于配光的所述外部弯曲表面折射所述光线。

6.如权利要求1所述的透镜，其中在所述后表面上的所述反射微棱镜阵列被构形成收集由所述弯曲的外表面在内部反射的光并且向着所述弯曲的外表面反射收集的光以通过所述透镜本体进行分布。

7.如权利要求1所述的透镜，其中所述安装结构包括从所述透镜本体的后表面伸出的多个定位足，所述定位足是非光学元件。

8.如权利要求1所述的透镜，其中所述透镜本体被构形成与至少一个选自下列的LED光源一起使用：单芯片LED光源，多芯片LED光源，和板上芯片模块LED光源。

9.如权利要求2所述的透镜，其中所述透镜本体成形为折射来自所述光源的中心的光从而使从所述透镜本体发出的光在有折射轴的情况下发出，折射轴在沿着所述透镜本体的横轴的截面上以距所述LED光源的光轴在30度和70度闭合区间之间的角度布置，所述透镜本体成形为折射来自所述光源的中心的光从而使边缘的发出光线在沿着所述透镜横轴的截面上以相对于所述光源的光轴的-20度到-45度闭合区间的角度布置。

10.如权利要求2所述的透镜，其中所述透镜本体被成形为以相对于所述光源光轴的角度θ1折射从所述光源的中心发出的单个光线，从而使该光线以相对于所述光源光轴的角度θ2从所述弯曲的外表面发出，其中θ1和θ2满足等式：

其中δ是在沿着所述透镜横轴的截面上，折射轴相对于所述光源光轴的角度，α是在沿着所述透镜横轴的截面上，边缘光线相对于所述光源光轴的角度。

11.如权利要求2所述的透镜，其中所述透镜本体成形为折射来自所述光源中心的光从而使从所述透镜本体发出的光在沿着所述透镜纵轴的截面上以120度到155度闭合区间之间的发射角分布。

12.如权利要求2所述的透镜，其中所述透镜本体成形为以相对于所述光源光轴的角度ξ1折射从所述光源中心发出的单个光线，从而使该光线以相对于所述光源光轴的角度ξ2从所述弯曲的外表面发出，其中ξ1和ξ2满足等式：

其中ψ是在沿着所述透镜纵轴的截面上，来自所述透镜本体的光的分布角度。

13.如权利要求1所述的透镜，其中所述小面包括平面、凹面和凸面中的至少一个，所述小面被布置成发出光斑，该光斑与从其它小面发出的光重叠，以提供光混合从而从所述次级透镜输出色温基本上均匀的光。

14.如权利要求1所述的透镜，其中在所述弯曲的外表面上的小面的表面和所述小面参照光源的中心在所述凹陷的内表面上的投影形成假透镜，该假透镜对于从所述小面发出的光具有发散效果，其中从所述光源的中心发出通过所述小面的光以大约3度到5度闭合区间的发散角沿着沿透镜横轴截取的截面传播。

15.如权利要求1所述的透镜，其中在所述弯曲外表面上的小面的表面和所述小面参照光源的中心在所述凹陷的内表面上的投影形成假透镜，该假透镜对于从所述小面发出的光具有发散效果，其中从所述光源的中心发出通过所述小面的光以大约3度到5度闭合区间的发散角沿着沿透镜纵轴截取的截面传播。

16.如权利要求1所述的透镜，其中在所述透镜本体的后表面上的所述微棱镜阵列包括金字塔反射器结构、立方角反射器结构和圆锥形反射器结构之一。

17.一种将来自LED光源的光引导到表面上的方法，包括：

在主要发出方向上以发出图案引导来自所述LED光源的光，其中所述发出图案在与发出方向呈横向的方向上是细长的；

混合来自所述LED光源的光的折射颜色以在所述主要发出方向上提供混合颜色的发出光；和

再次引导从所述主要发出方向反射的来自所述LED光源的光，从而使反射光返回到所述主要发出方向。

18.如权利要求17所述的方法，其中通过布置在所述LED光源上方的次级透镜提供所述引导步骤，所述次级透镜在与所述发出方向呈横向的方向上具有更大的长度。

19.如权利要求18所述的方法，其中通过所述次级透镜的外表面上的多个小面提供所述混合。

20.如权利要求18所述的方法，其中通过所述次级透镜的后部平面上的反射器结构提供所述再次引导。

21.一种将来自LED光源的光引导到表面上的方法，所述光源限定了平行于所述LED光源的发光表面的平行平面，该方法包括：

用光学本体的第一折射表面包围所述LED光源的发光部分，

将所述第一折射表面布置在第一垂直平面中距所述LED光源基本上恒定的距离处；

将所述第一折射表面布置在第二垂直平面中距所述LED光源的可变距离处，所述第一和第二垂直平面彼此垂直并且垂直于所述LED光源的所述平行平面；

将来自所述LED光源的光引导到所述光学本体的所述第一折射表面中；

从所述光学本体的第二折射表面发出来自所述LED光源的光，发出的光限定了从所述第一垂直平面偏离一角度的折射轴，发出的光的所述折射轴布置在所述第二垂直平面中，发出的光在所述折射轴具有最大强度；

发出所述光包括以发出图案从所述LED光源发出光，所述发出图案沿着平行于所述第一垂直平面的轴具有较大长度并且沿着所述第二垂直平面中的轴具有较小长度；

通过引导发出的光通过在所述第二折射表面的多个小面表面而混合发出的光的折射颜色；

在所述第二折射表面反射一部分来自所述LED光源的光以产生第一反射光；和

在反射表面反射第一反射光以提供第二反射光，所述第二反射光被引导向所述第二折射表面。