CN104676370A - Led灯珠及采用该led灯珠的led发光模组和led路灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种照明用LED灯珠，包括一LED光源和一透镜，该透镜对该LED光源发出的光进行光学处理，该透镜具有一入光面和出光面，该入光面有一入光面光学中心轴，该出光面具有一出光面光学中心轴，该LED光源具有一LED光源光学中心轴，LED光源光学中心轴两侧对称发出的光线从LED光源至入光面的光学路径长度不等，且所述的两侧对称发出的光线从入光面至出光面的光学路径长度也不等，LED光源光学中心轴两侧均匀对称发出的所有光线在出光面射出时，其中LED光源光学中心轴一侧的光线密度大于LED光源光学中心轴另一侧的光线密度。本使用新型进一步提供一种采用该LED灯珠的LED发光模组和LED路灯。其具有光型分布合理，结构简单，照射范围广，光源利用率高的优点。

Description

LED灯珠及采用该LED灯珠的LED发光模组和LED路灯

【技术领域】

本发明涉及一种照明用LED灯珠，特别涉及一种路灯用偏光照射的LED灯珠及采用该LED灯珠的LED发光模组和LED路灯。 

【背景技术】

在传统的照明技术中，多使用钨丝灯泡，由于功耗及体积大，发光效率低，寿命短，而越来越不能适应现代社会的需要。随着半导体技术的发展，功耗及体积小，发光效率高，寿命长的LED在照明技术中的应用越来越受到人们的重视。LED作为新一代的光源，其二次光学设计尤为重要，但是其中遇到的最大的难题就是LED灯具是多个点光源合成一个面光源，区别于传统光源，其光学设计也就相比传统光源困难的多。 

这种由于多个点光源合成的面光源而引起的二次光学设计难度增加，在道路照明灯具中尤为明显，简单的透镜组合已经很难达到理想的效果，要不就是光型分布不合理，要不就是光损失太大，这样就很难体现LED独特的优势大大减缓了其在道路照明领域的推广速度和深度。所以人们迫切需求一种新的LED二次光学设计方式能够推向市场。 

现在最常见的LED路灯二次光学处理方式之一是利用反射板加上控制光源偏角来实现。这种方案的缺点就是光型分布不是很合理，灯具眩光控制困难，整个灯具结构复杂，组装难度大，整体成本增加。 

现在最常见的LED路灯二次光学处理方式之二是采用二次透镜。这种方案的缺点是道路横向没有偏光处理， 灯具的道路实际利用效率太低。要不就要求灯具仰角要30°左右，这与标准推荐的15°以内不符合。要不就要求灯具与支架连接处安装辅助角度调节装置，增加成本和安装的稳定性。 

与此同时，采用二次透镜来解决LED路灯二次光学处理问题时，道路横向采用小角度偏光，偏光大概15°左右，这种配光只适合2车道以内的道路照明，道路太宽仰角就会大于15°，灯具的光线实际利用效率就会大大降低。 

【发明内容】

为克服现有LED二次光学处理中光照效果差，光源利用率低的技术问题，本发明提供了一种光型分布合理，结构简单，照射范围广，光源利用率高的LED灯珠及采用该LED灯珠的LED发光模组和LED路灯。 

本发明解决技术问题的方案是提供一种LED灯珠，包括一LED光源和一透镜，该透镜对该LED光源发出的光进行光学处理，该透镜具有一入光面和出光面，该入光面有一入光面光学中心轴，该出光面具有一出光面光学中心轴，该LED光源具有一LED光源光学中心轴，LED光源光学中心轴两侧对称发出的光线从LED光源至入光面的光学路径长度不等，且所述的两侧对称发出的光线从入光面至出光面的光学路径长度也不等，LED光源光学中心轴两侧均匀对称发出的所有光线在出光面射出时，其中LED光源光学中心轴一侧的光线密度大于LED光源光学中心轴另一侧的光线密度。 

优选地，该入光面光学中心轴、LED光源光学中心轴均及出光面光学中心轴相互偏离。 

优选地，在透镜横向剖切面或者纵向剖切面上，该透镜入光面至出光面的平均厚度由一侧至另一侧逐渐增大。 

优选地，在该LED灯珠的横向剖切面上，透镜的出光面的中分线与入光面的中分线偏离，LED光源的中分线与 透镜入光面的中分线偏离，在该LED灯珠的纵向剖切面上，透镜的出光面的中分线与入光面的中分线及LED光源的中分线重合。 

优选地，在该平面内，LED光源光学中心轴位于入光面光学中心轴与出光面光学中心轴之间。 

优选地，入光面光学中心轴至LED光源光学中心轴的偏离距离是出光面光学中心轴至LED光源光学中心轴的偏离距离的0.2-1倍。 

优选地，在透镜的底部设置有曲面凹坑，该曲面凹坑与该透镜底面平滑过渡连接，平滑过渡连接的曲率范围为-0.02-1。 

优选地，该透镜的出光面与入光面为曲率连续变化的自由曲面，该出光面的曲率变化范围为-0.6-0.3，入光面的曲率变化范围为-0.6-0.04。 

本发明还提供一种由至少一个LED灯珠组成的LED发光模组，该LED发光模组的横向发光对称分布，纵向发光偏向于一侧。 

本发明进一步提供一种由LED发光模组构成的LED路灯，沿道路平面的宽度方向，该LED路灯的光照范围偏向于道路中间，沿道路平面的延伸方向，该LED路灯的光照范围以LED路灯安装位置为中分面对称分布。 

与现有技术相比，本发明的LED灯珠采用光学级塑料一体成型，其在结构上LED光源光学中心轴和LED透镜的入光面光学中心轴，出光面光学中心轴互相偏离，该三轴线在横向不重合，在纵向重合。因此，该LED灯珠可以在纵向实现较大的偏光照射角度，最大程度的符合道路照明的偏光照射要求。与此同时，由于该LED灯珠可以实现大角度的偏光照射，以致采用该LED灯珠的LED路灯对安装角度的要求可以大大降低，甚至可以设置为0°仰角安装，这就大大降低了LED路灯的安装难度，降低安装成本。 

该透镜的出光面和入光面均采用曲率连续变化的自由曲面设计。在出光面的结构上，其左右上下对称，整个光学面为一个完整的自由曲面，更加有利于光型分布和模具加工；同时还避免了光在局部的汇聚造成道路局部过亮，及灰尘在局部位置过度聚集对光型产生的致命影响。在入光面的结构上，由于其入光面光学中心轴与LED光源光学中心轴横向不重合、不对称的自由曲面设计，使得光线集中偏向照射，最大程度的提高光输出效率，减少光线在非必要照射区域的光损。而该两轴线在纵向对称的自由曲面技术使得道路纵向光分布更广更均匀。 

透镜上部曲面与下部底面的连接部分，采用与出光面相近的曲率弧面，减少了交界处的光损失和因为灰尘聚集而对光学效果造成的影响。 

在透镜底面的两个纵边上设置独特的避空位结构，该避空位为曲率连续变化的抛物面设计，使得透镜在此处既有收拢杂散光的作用，又可以为透镜安装时所使用的螺丝及线材接头提供必要的空间，避免结构干涉。 

最后，本发明的LED发光模组可以将多个LED灯珠据需要组成任意行任意列的模组，以方便加工和组装。该LED发光模组是针对应用于道路照明灯具而设计的，可以替代传统的高压钠灯道路灯具，也可以用在其他户外照明灯具中。其独特的偏光设计使灯具既具有高亮度的光输出，又可获得良好的眩光控制，使整个道路照明达到标准的照度，舒适的照明环境以及均匀性要求。 

而采用该LED发光模组制成的LED路灯具有独特的二次光学设计，同时具备对称蝠翼及非对称光形，将光线均匀照射车道路面，并兼顾人行道的照明需求。 

【附图说明】

图1是本发明LED灯珠的立体爆炸示意图，其包括LED光源和透镜。 

图2是本发明LED灯珠组合状态下立体结构示意图。 

图3是图1所示透镜的第一视角立体结构示意图。 

图4是图1所示透镜的第二视角立体结构示意图。 

图5是图1所示LED灯珠的平面俯视图。 

图6是图5所示LED灯珠的纵向剖切截面示意图。 

图7是图5所示LED灯珠的横向剖切截面示意图。 

图8是图6所示LED灯珠纵向剖切面的出光光路图。 

图9是图7所示LED灯珠横向剖切面的出光光路图。 

图10是由本发明LED灯珠组装而成的LED发光模组的结构示意图。 

图11是图10所示LED发光模组的横截面剖视图。 

图12是由图10所示LED发光模组制作的路灯使用状态参考示意图。 

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

请参阅图1与图2，本发明LED灯珠100包括一透镜101和一LED光源103，LED光源103位于透镜101之内，当LED光源103发光后，光线进入到透镜101进行二次配光后朝特定方向射出。LED光源103多采用LED芯片作为发光元件，其整体形状为对称式结构。 

请参阅图3与图4，透镜101的上部为一曲面1011，下部为一水平的底面1013。上部曲面1011与下部底面1013一体成型，上部曲面1011与下部底面1013之间平滑曲面连 接，且在底面1013与曲面1011的连接处设置为与曲面1011曲率相近的弧面以减少交界处的光损和因为灰尘聚集而对光学效果造成的影响。 

在曲面1011的上方为一自由曲面的出光面1021，其曲率变化连续，该设计理念可以避免光的局部汇聚而造成光照局部过亮，同时还可以避免灰尘在局部汇集后对光型的致命影响。此外，该上部曲面1011左右上下对称设计，有利于透镜101加工模具的制作。该上部曲面1011的平滑过渡曲率变化范围为-0.03--0.15。如果将透镜101横向剖切或者纵向剖切时，该透镜101的平均厚度由一侧至另一侧逐渐增大。 

水平底面1013的投影面积略大于上部曲面1011的投影面积。水平底面1013在与曲面1011过渡连接的上部表面左右上下对称设计，其与曲面1011过渡连接的曲面曲率范围为-0.6-0.3。水平底面1013包括四个侧边，分别为两个对应的横边1023和两个对应的纵边1025。横边1023与纵边1025只是相对而言，并非绝对意义上的横向侧边和纵向侧边。此处定义为朝向观察者的边为横边1023，另外一对侧边为纵边1025。 

水平底面1013的下部表面有一凹坑1027，在该凹坑1027内形成一入光面1043，该入光面1043也为一曲率变化连续自由曲面，其光学面的曲率变化范围为-0.6-0.04。该凹坑1027左右对称，上下不对称，根据视图方向不同，也可理解为左右不对称，上下对称，此处定义为其左右为对称，上下为不对称的结构。此处还可以理解为相对于横边1023的中心线来说是对称的，相对于纵边1025的中心线来说为非对称的。 

请参阅图5，图6与图7，在位置上，该凹坑1027并非位于底面1013的中心处，凹坑1027的形心落在横边1023的中心线上，而不落在纵边1025的中心线上，其形心距离纵边1025的中心线距离0＜L＜0.3S，S为纵边1025的长度。 从光学的意义上来理解，凹坑1027的形心所在轴线为入光面光学中心轴1045。曲面1011及底面1013由于左右上下对称，底面1013的中心点所在轴线或曲面1011的中心点所在轴线或横边与纵边中心线的交点所在轴线为曲面1011出光面光学中心轴1041。最终入光面光学中心轴1045与出光面光学中心轴1041在横向重合，纵向不重合；亦或纵向重合，横向不重合。纵向不重合时，两个光学中心轴的距离0＜L＜0.3S，S为纵边1025的长度。 

LED光源103放置在凹坑1027内，由于LED光源103为中心对称结构，其形心所在轴线即为LED光源光学中心轴1031。LED光源103的顶端不与入光面1043接触。类似地，LED光源光学中心轴1031与入光面光学中心轴1045在横向重合；在纵向，LED光源光学中心轴1031位于出光面光学中心轴1041与入光面光学中心轴1045之间，其距离入光面光学中心轴1045的距离0＜L’＜0.12S，S为纵边1025的长度。 

由此可以看出，LED光源光学中心轴1031、出光面光学中心轴1041与入光面光学中心轴1045均位于横边1023的中分截面上；而在纵边的中分截面上，LED光源光学中心轴1031、出光面光学中心轴1041与入光面光学中心轴1045均不重合，且LED光源光学中心轴1031位于出光面光学中心轴1041与入光面光学中心轴1045之间，入光面光学中心轴1045至LED光源光学中心轴1031的距离是出光面光学中心轴1041至LED光源光学中心轴101距离的0.2-1倍。 

在底面1013的两个纵边1023的底部分别设置有避空位1029，该避空位1029仅设置在相对凹坑1027对称的对应边上，此处由于凹坑1027相对横边1023中心线即底面1013的纵向保持对称，因此在两个纵边1025设置避空位1029。该避空位1029可以用于收拢LED光源103发出的杂散光，同时还为固定整个LED灯珠100在固定时提前空留安装空 间，防止安装时出现结构干涉。该二避空位1029位于纵边1025的两端，且相对于纵边1025的中心线保持对称。该二避空位1029在纵边1025的两端形成两个凸面1047，该凸面1047为抛物面设计，在纵边1025的中点处形成该凸面1047的最高点，该凸面1047的曲率变化范围为-0.04-0。避空位1029的结尾处与底面1013为平滑过渡的曲面，平滑过渡可以避免光线过渡集中而射向偏僻的角落，也有利于杂光的收集聚拢。该平滑曲面过渡的曲率范围为-0.02-1。 

请参阅图8与图9，该LED灯珠100在使用时，在道路的横向上，由于LED光源光学中心轴1031、入光面光学中心轴1045、出光面光学中心轴1041不重合，导致LED光源103发出的光经过折射、反射射出后集中偏向于一侧，因此该类光型分布的效果更加适用于路灯照明的灯具上，其可以实现较宽范围的照明，同时在路灯边缘不会产生多余的光线损失。在道路的纵向上，由于LED光源光学中心轴1031、入光面光学中心轴1045、出光面光学中心轴1041重合，导致LED光源103发出的光经过折射、反射射出后对称分布与道路的纵向两边，再加上入光面1043和出光面1021均为平滑过渡的自由曲面，使得发出的光线在道路纵向上更广更均匀，使其在道路的纵向上可以兼顾人行道的照明需求。 

从LED光源103发出的光学路径来看，LED光源光学中心轴1031两侧对称发出的光线从LED光源103至入光面1043的光学路径长度不等，且两侧对称发出的光线从入光面1043至出光面1021的光学路径长度也不等，LED光源光学中心轴1031两侧均匀对称发出的所有光线在出光面1021射出时，其中LED光源光学中心轴1031一侧的光线密度大于LED光源光学中心轴1031另一侧的光线密度。 

请参阅图10与图11，将该二十四个LED灯珠100组装成一个LED发光模组200，该二十四个LED灯珠100以4x6阵列布置。沿道路的横向设置六个LED灯珠100，沿道路 的纵向设置四个LED灯珠100。由于LED灯珠100沿道路的横向不对称，且在横向并排布置六个LED灯珠100，因此其发出的光线集中超道路中央射出并且具有较宽范围的照明宽度；由于LED灯珠100沿道路的纵向对称，且在纵向仅设置四个LED灯珠100，但是由于LED灯珠100在入光面1043和出光面1021纵向采用平滑曲面过渡连接，具有较大的照射范围，因此在道路纵向上，该LED发光模组200可以对称的、较大范围的照射在LED发光模组200安装位置的两侧。 

请参阅图12，将上述LED发光模组200制作成LED路灯300来使用时，沿道路平面的宽度方向，光线集中照射于道路中央且可以实现大范围的照明，而在路灯的安装位置处不会产生多余的光线照射到道路以外，使光输出的使用效率达到90％以上。沿道路平面的延伸方向，光线以LED路灯300安装处所形成的垂直道路平面的中分面为中心左右对称且能实现纵向较宽范围的照明，完全符合道路照明的光学设计理念。 

与现有技术相比，本发明的LED灯珠100采用光学级塑料一体成型，其在结构上LED光源光学中心轴1031和LED透镜的入光面光学中心轴1045，出光面光学中心轴1041互相偏离，该三轴线在横向不重合，在纵向重合。因此，该LED灯珠100可以在纵向实现较大的偏光照射角度，最大程度的符合道路照明的偏光照射要求。与此同时，由于该LED灯珠100可以实现大角度的偏光照射，以致采用该LED灯珠100的LED路灯300对安装角度的要求可以大大降低，甚至可以设置为0°仰角安装，这就大大降低了LED路灯300的安装难度，降低安装成本。 

该透镜101的出光面1021和入光面1043均采用曲率连续变化的自由曲面设计。在出光面1021的结构上，其左右上下对称，整个光学面为一个完整的自由曲面，更加 有利于光型分布和模具加工；同时还避免了光在局部的汇聚造成道路局部过亮，及灰尘在局部位置过度聚集对光型产生的致命影响。在入光面1043的结构上，由于其入光面光学中心轴1045与LED光源光学中心轴横向1031不重合、不对称的自由曲面设计，使得光线集中偏向照射，最大程度的提高光输出效率，减少光线在非必要照射区域的光损。而该两轴线在纵向对称的自由曲面技术使得道路纵向光分布更广更均匀。 

透镜上部曲面1011与下部底面1013的连接部分，采用与出光面1021相近的曲率弧面，减少了交界处的光损失和因为灰尘聚集而对光学效果造成的影响。 

在透镜101底面1013的两个纵边1025上设置独特的避空位1029结构，该避空位1029为曲率连续变化的抛物面设计，使得透镜101在此处既有收拢杂散光的作用，又可以为透镜101安装时所使用的螺丝及线材接头提供必要的空间，避免结构干涉。 

最后，本发明的LED发光模组200可以将多个LED灯珠100据需要组成任意行任意列的模组，以方便加工和组装。该LED发光模组200是针对应用于道路照明灯具而设计的，可以替代传统的高压钠灯道路灯具，也可以用在其他户外照明灯具中。其独特的偏光设计使灯具既具有高亮度的光输出，又可获得良好的眩光控制，使整个道路照明达到标准的照度，舒适的照明环境以及均匀性要求。 

而采用该LED发光模组200制成的LED路灯300具有独特的二次光学设计，同时具备对称蝠翼及非对称光形，将光线均匀照射车道路面，并兼顾人行道的照明需求。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种LED灯珠，包括一LED光源和一透镜，该透镜对该LED光源发出的光进行光学处理，其特征在于：该透镜具有一入光面和出光面，该入光面有一入光面光学中心轴，该出光面具有一出光面光学中心轴，该LED光源具有一LED光源光学中心轴，LED光源光学中心轴两侧对称发出的光线从LED光源至入光面的光学路径长度不等，且所述的两侧对称发出的光线从入光面至出光面的光学路径长度也不等，LED光源光学中心轴两侧均匀对称发出的所有光线在出光面射出时，其中LED光源光学中心轴一侧的光线密度大于LED光源光学中心轴另一侧的光线密度。

2.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：该入光面光学中心轴、LED光源光学中心轴均及出光面光学中心轴相互偏离。

3.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：在透镜横向剖切面或者纵向剖切面上，该透镜入光面至出光面的平均厚度由一侧至另一侧逐渐增大。

4.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：在该LED灯珠的横向剖切面上，透镜的出光面的中分线与入光面的中分线偏离，LED光源的中分线与透镜入光面的中分线偏离，在该LED灯珠的纵向剖切面上，透镜的出光面的中分线与入光面的中分线及LED光源的中分线重合。

5.如权利要求4所述的LED灯珠，其特征在于：在该平面内，LED光源光学中心轴位于入光面光学中心轴与出光面光学中心轴之间。

6.如权利要求5所述的LED灯珠，其特征在于：入光面光学中心轴至LED光源光学中心轴的偏离距离是出光面光学中心轴至LED光源光学中心轴的偏离距离的0.2-1倍。

7.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：在透镜的底部设置有曲面凹坑，该曲面凹坑与该透镜底面平滑过渡连接，平滑过渡连接的曲率范围为-0.02-1。

8.如权利要求1所述的LED灯珠，其特征在于：该透镜的出光面与入光面为曲率连续变化的自由曲面，该出光面的曲率变化范围为-0.6-0.3，入光面的曲率变化范围为-0.6-0.04。

9.一种由至少一个如权利要求1所述的LED灯珠组成的LED发光模组，其特征在于：该LED发光模组的横向发光对称分布，纵向发光偏向于一侧。

10.一种由权利要求9所述的LED发光模组构成的LED路灯，其特征在于：沿道路平面的宽度方向，该LED路灯的光照范围偏向于道路中间，沿道路平面的延伸方向，该LED路灯的光照范围以LED路灯安装位置为中分面对称分布。