CN105020610A - 基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩led定向灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，包括LED基板、反射器、正向菲涅尔透镜及反向菲涅尔透镜，所述反射器设置在LED基板上，所述正向菲涅尔透镜设置在反射器的腔体内，正向菲涅尔透镜安装在反射器的底部，所述反向菲涅尔透镜悬空架设在反射器的顶部，以LED基板几何中心为基准点，芯片发光角度分割成0°-γ°和γ°-90°两个环带部分。本发明悬空结构设计正向菲涅尔透镜，缩短光程减小了光损，光学效率提高5％，中心光强提高30％。另外本发明正、反双向设计菲涅尔透镜起到聚光效果，达到提高中心光强的作用，可实现代替高功率卤素灯。

Description

基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯

技术领域

本发明涉及LED配光的研究领域，特别涉及一种基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯。

背景技术

目前国内外照明行业COB芯片价格高居不下，中功率芯片模组因价格低廉成为追捧的宠儿，但是因单个光源芯片具有相对独立性，一般二次配光设计时采用PC透镜设计或者采用镀铝反射器，导致LED定向灯二次配光中会存在以下技术问题：1、中功率芯片模组低光效，能耗高，代替卤素灯功率普遍偏低；2、二次配光设计照度均匀性难控制。所以，一种使光斑更加均匀的防眩LED定向灯时本领域技术人员研究的方向。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，缩短光程减小了光损，提高光学效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，包括LED基板、反射器、正向菲涅尔透镜及反向菲涅尔透镜，所述反射器设置在LED基板上，所述正向菲涅尔透镜设置在反射器的腔体内，正向菲涅尔透镜安装在反射器的底部，所述反向菲涅尔透镜悬空架设在反射器的顶部，以LED基板几何中心为基准点，芯片发光角度分割成0°-γ°和γ°-90°两个环带部分。

优选的，所述0°-γ°环带的配光设计为：

光线i经反射器反射，光能传播满足反射定律入射角α＝反射角β，θ角为光线与X轴夹角，μ角为p点斜率夹角，P(x,y)为曲i1面上一点，则P点斜率为：

tan(μ)＝dy/dx；   (1)

又由 $\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2};---\left(2\right)$

又因光线i1为中功率模组LED基板方向传播，可以得出求解(1)、(2)得出P的微分方程F(dx,dy),给出P点初始位置，就可以计算出P点0°-γ°各点位置，拟合出反射器的自由曲面面型。

优选的，所述γ°-90°环带的配光设计为：

光线j经过悬空结构设计的正向菲涅尔透镜和反向菲涅尔透镜发生折射，通过调节正、反向菲涅尔透镜齿轮上的自由曲面曲率，自由曲面满足菲涅尔方程：

$F\left(Z\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}---\left(3\right)$

其中，k为斜率，r为自由曲面斜率半径，а1........а8为系数，调节各个参数改变光线折射角，设正向菲涅尔透镜自由曲面方程为F₁(Z)，反向菲涅尔透镜自由曲面方程为F₂(Z)，调整两个方程的参数从使得光线按照目标区域折射。

优选的，所述LED基板上设有多颗LED发光二级管，所述多颗LED发光二级管按设定形状排列在LED基板上。

优选的，所述反向菲涅尔透镜的边缘设有一圈凹槽，所述凹槽与反射器的顶部外边缘相匹配，安装时，反向菲涅尔透镜卡合在反射器上。

优选的，所述反射器上的内表面上设有曲率可调的自由曲面。

优选的，所述反射器为铝材质的反射器。

优选的，所述反向菲涅尔透镜的齿轮上设有曲率可调的自由曲面，齿轮排布呈同心环。

优选的，所述正向菲涅尔透镜上设有多个安装脚，所述安装脚固定在反射器底部上所述反向菲涅尔透镜的齿轮上设有曲率可调的自由曲面，齿轮排布呈同心环。

优选的，所述正向菲涅尔透镜的直径小于反射器底部开口的直径。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明悬空结构设计正向菲涅尔透镜，缩短光程减小了光损，光学效率提高5％，中心光强提高30％。

2、本发明正、反双向设计菲涅尔透镜起到聚光效果，达到提高中心光强的作用，可实现代替高功率卤素灯。

3、本发明的反射器和菲涅尔透镜方式让光源裸露的空间变大，反光杯材料为铝材，在一定程度上增加了LED光源的散热；

4、本发明解决了目前反射器在光学设计时边缘出现光环的问题，使得光斑更加均匀。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置的分解图；

图3是本发明芯片发光角度分割成0°-γ°，γ°-90°两个环带部分的示意图；

图4是本发明0°-γ°环带配光示意图；

图5是本发明γ°-90°环带配光示意图；

图6是本发明LED发光二级管在基板上的布置图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本实施例基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，包括LED基板1、反射器2、正向菲涅尔透镜3及反向菲涅尔透镜4，所述反射器2设置在LED基板1上，所述正向菲涅尔透镜3设置在反射器2的腔体内，正向菲涅尔透镜3安装在反射器的底部，所述反向菲涅尔透镜4悬空架设在反射器2的顶部；中功率模组几何中心为基准点，芯片发光角度分割成0°-γ°，γ°-90°两个环带部分，针对两个部分光学进行独立设计。

为了达到更好的出光效果，本实施例中，所述LED基板1上设有多颗LED发光二级管，所述多颗LED发光二级管按设定形状排列在LED基板1上，如图6所示，本实施例中LED发光二极管分内外两层布置，外层设置为圆形，内层设置为矩形。

如图2所示，所述反向菲涅尔透镜4的边缘设有一圈凹槽，所述凹槽与反射器2的顶部外边缘相匹配，安装时，反向菲涅尔透镜4卡合在反射器2上。

所述反射器2上的内表面上设有曲率可调的自由曲面，通过调整反射器自由曲面曲率，使得经过反射器2反射的光线垂直于中功率模组LED基板1方向传播。

同理，所述反向菲涅尔透镜4的齿轮上设有曲率可调的自由曲面，光线经过悬空结构设计正向菲涅尔透镜3和反向菲涅尔透镜4发生折射，通过调节菲涅尔透镜齿轮上的自由曲面曲率，改变光线折射角，从使得光线按照目标区域折射。

本实施例中，所述反射器为铝材质的反射器，在一定程度上增加了LED光源的散热。

如图2所示，所述正向菲涅尔透镜上设有多个安装脚，所述安装脚固定在反射器底部上；所述正向菲涅尔透镜的直径小于反射器底部开口的直径。

本发明的工作原理如下：

以LED基板几何中心为基准点，芯片发光角度分割成0°-γ°，γ°-90°两个环带部分如图3，其中tanγ＝H/D,H为反射器的高度，D为反射器的半径。整个半球可分为两个环带即0°-γ°，γ°-90°。针对两个部分光学进行独立设计。

1、0°-γ°环带配光设计：如图4，光线i经反射器反射，光能传播满足反射定律入射角α＝反射角β，θ角为光线与X轴夹角，μ角为p点斜率夹角，P(x,y)为曲i1面上一点，则P点斜率为：

tan(μ)＝dy/dx；   (1)

又由 $\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2};---\left(2\right)$

又因光线i1为中功率模组LED基板方向传播，可以得出求解(1)、(2)得出P的微分方程F(dx,dy),给出P点初始位置，就可以计算出P点0°-γ°各点位置，拟合出反射器的自由曲面面型；

2、γ°-90°环带配光设计：普通反光器设计该部分光线一般有两种方式，其一不加任何光学透镜控制，这样造成光污染、能量浪费且易于形成眩晕，另一方案是运用凸透镜包裹整个光源改变其光路，这种方式虽然在光线控制较好，却极大损失了光能。为了能满足高光效且精准光线控制，创造性提出了悬空结构设计正向菲涅尔透镜(如图5)，光线j经过悬空结构设计正向菲涅尔透镜和反向菲涅尔发生折射，通过调节正、反向菲涅尔透镜齿轮上的自由曲面曲率，自由曲面满足菲涅尔方程：

$F\left(Z\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}---\left(3\right)$

其中，k为斜率，r为自由曲面斜率半径,а1........а8为系数。调节各个参数改变光线折射角，(如图5)设正向菲涅尔透镜自由曲面方程为F₁(Z)，反向菲涅尔透镜自由曲面方程为F₂(Z)，调整两个方程的参数从使得光线按照目标区域折射。使得γ-90°环带区域的光线能更精准的控制，不会造成眩晕，由于是悬空设计，0°-γ环带区域光线直接经过反射器反射，光学效率提高5％，中心光强提高30％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，包括LED基板、反射器、正向菲涅尔透镜及反向菲涅尔透镜，所述反射器设置在LED基板上，所述正向菲涅尔透镜设置在反射器的腔体内，正向菲涅尔透镜安装在反射器的底部，所述反向菲涅尔透镜悬空架设在反射器的顶部，以LED基板几何中心为基准点，芯片发光角度分割成0°-γ°和γ°-90°两个环带部分。

2.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述0°-γ°环带的配光设计为：

光线i经反射器反射，光能传播满足反射定律入射角α=反射角β，θ角为光线与X轴夹角，μ角为p点斜率夹角，P(x,y)为曲i1面上一点，则P点斜率为：

tan（μ）=dy/dx；        (1)

又由 $\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\frac{\mathrm{\π}}{2};---\left(2\right)$

又因光线i1为中功率模组LED基板方向传播，可以得出求解(1)、(2)得出P的微分方程F（dx,dy），给出P点初始位置，就可以计算出P点0°-γ°各点位置，拟合出反射器的自由曲面面型。

3.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述γ°-90°环带的配光设计为：

光线j经过悬空结构设计的正向菲涅尔透镜和反向菲涅尔透镜发生折射，通过调节正、反向菲涅尔透镜齿轮上的自由曲面曲率，自由曲面满足菲涅尔方程：

$F\left(Z\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}+a_7{r}^{14}+a_8{r}^{16}---\left(3\right)$

其中，k为斜率，r为自由曲面斜率半径，а1........а8为系数，调节各个参数改变光线折射角，设正向菲涅尔透镜自由曲面方程为F₁(Z)，反向菲涅尔透镜自由曲面方程为F₂(Z)，调整两个方程的参数从使得光线按照目标区域折射。

4.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述LED基板上设有多颗LED发光二级管，所述多颗LED发光二级管按设定形状排列在LED基板上。

5.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述反向菲涅尔透镜的边缘设有一圈凹槽，所述凹槽与反射器的顶部外边缘相匹配，安装时，反向菲涅尔透镜卡合在反射器上。

6.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述反射器上的内表面上设有曲率可调的自由曲面。

7.根据权利要求1或6所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述反射器为铝材质的反射器。

8.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述反向菲涅尔透镜的齿轮上设有曲率可调的自由曲面，齿轮排布呈同心环。

9.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述正向菲涅尔透镜上设有多个安装脚，所述安装脚固定在反射器底部上所述反向菲涅尔透镜的齿轮上设有曲率可调的自由曲面，齿轮排布呈同心环。

10.根据权利要求1所述的基于正反双向菲涅尔透镜的高光效防眩LED定向灯，其特征在于，所述正向菲涅尔透镜的直径小于反射器底部开口的直径。