CN201531821U - Led路灯光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种LED路灯光学系统，包括由LED光源、反光杯、透镜构，其中所述LED光源安装于所述反光杯的底部，所述透镜安装于所述LED光源和反光杯的上方，所述透镜包括入射面、出射面以及所述入射面和出射面的过渡面，所述入射面为内凹的曲面；所述出射面为一个沿着X轴方向弧形凹下、Y轴方向弧形凸出的花生米形状的曲面。

Description

LED路灯光学系统

技术领域

本实用新型涉及LED照明领域，尤其涉及光能利用率较高的LED路灯光学系统。

背景技术

路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。

现今，LED光源作为路灯的应用已越来越广泛。LED光源是光线分布较发散的光源，为配合道路照明，需要在充分提高光能利用率的基础上重新配光。

目前市场上LED路灯主要采用两种配光形式，第一种为将LED发光模块拱起或凹进，这种配光形式能将光在路面平行方向分布较广，但光能利用率低，均匀性达不到要求。第二种为采用透镜配光，透镜材料为PC或PMMA，透镜结构设计的不合理和材料本身的损耗，光能利用率低。

公开号为CN2842182中国专利公开了一种LED路灯，这种路灯中的LED是密集安装在安放板上，安放板中部为平面板，周边向LED的安装面反方向翘起形成夹角，整个LED的安装面呈凸起状。

公开号为CN1821651的中国专利公开了一种大功率LED路灯，这种路灯灯头套接有对应的透镜，透镜通过固定盖板固定。

公开号为CN2896006的中国专利公开了一种高亮度LED路灯灯头，灯头内设置有拱形支架，大功率LED安装在支架上，每个LED都装有透镜。

公开号为CN1936417的中国专利公开了一种LED路灯光源，这种路灯的发光装置是LED安装在散热上座的底面上，底面由相互间成一定夹角的多个倾斜平面构成，LED通过透镜套住，用透镜固定架固定透镜。

公开号为CN101105272中国专利公开了一种LED路灯透镜，这种透镜的结构是包含具有圆对称的凹坑和枕头形的出射面以及全反射面，透镜的材料为PC或PMMA。

然而，以上专利文献揭露的路灯发光装置光能利用率很低或均匀性达不到标准。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光利用率高的LED路灯光学系统，达到在矩形区域内满足道路照明的光分布照度要求。

为了达成上述目的，本实用新型提供了一种LED路灯光学系统，包括由LED光源、反光杯、透镜，其中所述LED光源安装于所述反光杯的底部，所述透镜安装于所述LED光源和反光杯的上方，所述透镜包括入射面、出射面以及所述入射面和出射面的过渡面，所述入射面为内凹的曲面；所述出射面为一个沿着x轴方向弧形凹下、Y轴方向弧形凸出的花生米形状的曲面。

较佳地，所述内凹曲面为中心对称的圆弧线、自由曲线垂直拉伸的长条形曲面。

较佳地，在其出射面轮廓圆弧凸出，所述出射面的穿过透镜中心轴Z轴的横向截面的轮廓圆弧凸出、穿过透镜中心轴Z轴的纵向截面的轮廓弧形凹下。

较佳地，所述纵向截面上的正半截面轮廓的线段包括入射面轮廓线段AB，过渡面轮廓曲线BC，出射面轮廓曲线CD。

较佳地，所述CD曲线的构造方法为：AB与CD线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，将光源所发出的从0度到α角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，圆形区域内的照度为常数，CD上点坐标为(x，z)，光线从光源点到(x，z)经过CD上的点(x0，z0)，从而确定光源发出光线的顶角，再根据光能经过透镜的能量守恒公式，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据满足上述条件的微分方程解出CD曲线的数值解。

较佳地，所述横向截面上的正半截面轮廓的线段包括入射面轮廓包含线段ab，过渡面轮廓为曲线bc，出射面轮廓为曲线cd。

较佳地，所述cd曲线的构造方法为：ab与cd线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，将光源所发出的从0度到β角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，cd上点坐标为(y，z)，光线从光源点到(y，z)为入射光线，从(y，z)到目标平面为出射光线，根据光能经过透镜的能量守恒公式，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据满足上述条件的微分方程解出cd曲线的数值解。

较佳地，所述反光杯的内反射面关于对称轴左右上下对称。

较佳地，所述透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或玻璃。

较佳地，所述发光单元由多个相应的LED光源、反光杯、透镜构成。

使用本实用新型的透镜，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折射传输出，因此利用率较高。本实用新型的透镜的出射曲面的独特设计，可以把光能在照射面上很好的分配，因此均匀度较高。

附图说明

参考下文之现时较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本实用新型及其目的与优点，其中：

图1是本实用新型路灯光学系统立体图；

图2是本实用新型路灯光学系统的剖视图；

图3是本实用新型路灯光学系统中反光杯的立体图；

图4是本实用新型路灯光学系统中透镜的剖视图；

图5是本实用新型路灯光学系统中透镜的上表面立体图；

图6是本实用新型路灯光学系统中透镜横向截面的二维坐标标记图；

图7是本实用新型路灯光学系统中透镜纵向截面的二维坐标标记图；

图8是本实用新型路灯光学系统光线传播图；

图9是本实用新型路灯光学系统的另一种实施例的反光杯阵列安装图；

图10是本实用新型路灯光学系统的实际安装照度分布图；

图11是本实用新型灯光学系统的实际安装配光曲线图。

附图符号表：

1：第一种路灯光学系统    11：透镜

12：反光杯                    121：反光杯的反光面

122：反光杯的底面             13：LED光源

111：透镜入射面               112：透镜出射面

113：透镜入射面和出射面的过渡区域

131：光源所发出的光线分成小角度光路

132：光源所发出的光线分成大角度光路

3：目标区域

具体实施方式

现参考附图描述根据本实用新型的LED路灯光学系统的较佳实施例。

图1和图2所示，根据本实用新型实施例的LED路灯光学系统1。LED路灯光学系统1包含LED光源13、反光杯12和透镜11。LED光源13安装于反光杯12底面，透镜11安装于LED光源13和反光杯12的上方。由此，LED光源13、反光杯12、透镜11的轴线在同一条直线上。

本实施例中，LED光源13为单个或多个大功率LED或LED模组。LED光源13发出角度基本为180度的光。

如图3所示，由于反光杯12位于LED光源13的周围，因此反光杯12的杯形反光面121可收集LED光源13所发出的大角度光线。反光面121为左右对称的自由曲面，其上镀有反射层。反光杯12的材料为塑料。

透镜11将LED光源13所发出光线经过重新整形，在一定距离的垂直平面内形成矩形光斑的透镜。如图4和图5所示，透镜包含入射面111和出射面112及入射面和出射面的过渡区域113。入射面111为圆弧或自由曲线垂直拉伸的曲面，出射面112为一个纵向弧形凹下、横向弧形凸出的花生米形状。

现参考图6和图7，具体描述透镜11的结构。

参阅图6和图7，定义透镜中心轴为Z轴，与照明系统的主光轴方向重合，穿过透镜中心轴的横向截面为X-Z平面，其出射面轮廓圆弧凸出，穿过透镜中心轴的纵向截面为Y-Z平面，其出射面轮廓中心区域弧形凹下。

透镜X-Z平面上的正半截面轮廓的线段表示：入射面轮廓为线段AB，过渡面轮廓为曲线BC，出射面轮廓为曲线CD。

CD曲线的构造方法为：

AB与CD线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，假设成三维圆对称透镜，将光源所发出的从0度到α角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，假设光源为点光源，CD上点坐标为(x，z)，根据光线折射定律，确定光线从光源点到(x，z)经过CD上的点(x0，c)，从而确定光源发出光线的顶角，点(x0，z0)通过以下公式求得

$\mathrm{\Γ}=\sqrt{n^{\′2}-n^2+{(\stackrel{V}{A}\·{\stackrel{V}{N}}_0)}^2}-\stackrel{V}{A}\·{\stackrel{V}{N}}_0$ (0.1)

${\stackrel{V}{A}}^{\′}=\stackrel{V}{A}+\mathrm{\Γ}{\stackrel{V}{N}}_0$

此时出射光线矢量： ${\stackrel{v}{A}}^{\′}=(x-x0,z-z0)$

入射光线矢量： $\stackrel{v}{A}=(x0,z0)$

其中n为空气密度

n′为透镜密度

然后光线由点(x0，z0)到达(x，z)经过折射出射到目标区域，同样根据折射定律(1.1)求得在到达目标圆形区域的半径r；

此时出射光线矢量： ${\stackrel{v}{A}}^{\′}=(r-x,H-z)$

入射光线矢量： $\stackrel{v}{A}=(x-x0,z-z0)$

其中n为透镜密度

n′为空气密度

再根据光能经过透镜的能量守恒公式，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度。在顶角2θ内的光通量为 $\mathrm{\Φ}1={\∫}_{-\mathrm{\θ}}^{\mathrm{\θ}}I\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\Ω}$

在目标平面的半径为r圆形区域内的光通量为Φ2＝E*πr²，从而由边界条件x＝0，z＝a和能量守恒公式Φ1＝Φ2可以最终确定坐标点(x，z)数值算法解，最终拟和成CD自由曲线。

透镜Y-Z平面上的正半截面轮廓的线段表示：入射面轮廓包含线段ab，过渡面轮廓为曲线bc，出射面轮廓为曲线cd。

cd曲线的构造方法为：

ab与cd线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，假设成三维圆对称透镜，将光源所发出的从0度到β角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，假设光源为点光源，cd上点坐标为(y，z)，根据光线折射定律，光线从光源点到(y，z)为入射光线，从(y，z)到目标平面为出射光线，根据光能经过透镜过程中能量守恒公式，在光源顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，根据边界条件y＝0，z＝OC，从而求得cd曲线的数值解，最终拟和成cd自由曲线。

同理可以求得经过Y轴、与Z轴夹角为a1的平面P1上的曲线c1d1，a1＞1度，此时的边界条件为y＝0，z＝OC1，C1为面P1与CD的交点；a2角度对应的c2d2，a2＞a1。若将CD分割成等角度的N段曲线(N＞3)，则可共求得有N+1条曲线。

透镜的出射面112是通过以上求得的纵横曲线网格化而成的曲面。

ab为根据LED实际配光所做调整的圆弧线或自由曲线，ab垂直拉伸的曲面经过左右对称最终形成入射面111。

透镜的出射面是通过以上求得的纵横曲线网格化而成的曲面。

ab为根据LED实际配光所做调整的圆弧线或自由曲线。

本实施例中，透镜11的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者玻璃。

由此，如图8所示，从LED光源13所发出的光线分成小角度光路131和大角度光路132。其中小角度光路131是从LED光源13发出后射向透镜的入射面111，再由入射面111射向透镜的出射面112，最后由经过出射面112折射到达在一定距离的垂直水平面目标区域3，在目标区域3内形成矩形光斑的所有光线组成。小角度光路131在X-Z平面上与Z轴所成的夹角小于等于80度，而在Y-Z平面上与Z轴所成的夹角小于等于80度。大角度光路132是由LED光源13发出后射向反光杯12的反射面121，再经过反光面121反射到达目标区域3，光线主要集中在上述矩形光斑之内，从而对中心区域的光进一步增强补偿。

由以上的光路传输原理可以看出，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折射传输出，另外通过透镜出射曲面的设计可以把光能在照射面上很好的分配，达到照度均匀性要求。

现根据图10和图11评价本实施例的LED路灯系统所达到的效果。图10和图11分别为照度分布图和配光曲线图。由这两张光学效果图可以看出在有效照明范围内，光照度的均匀性能达到道路照明标准。

另一实施中，根据本实用新型的LED路灯光学系统可由多组相对应的LED光源13、反光杯12和透镜11构成，如图9所示。

本实用新型具有如下优点。

(1)使用本实用新型的透镜，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折射传输出，因此利用率较高。

(2)本实用新型的透镜的出射曲面的独特设计，可以把光能在照射面上很好的分配，因此均匀度较高。

尽管业已描述本发明的示范实施例，本技术领域的技术人员应理解可对这些实施例作出修改而不超出本发明的主旨和精神，本发明的范围由所附权利要求及其等同物所限定。

Claims (9)

1.一种LED路灯光学系统，包括由LED光源、反光杯、透镜，其中所述LED光源安装于所述反光杯的底部，所述透镜安装于所述LED光源和反光杯的上方，所述透镜和光源的轴线在同一条直线上，所述透镜包括入射面、出射面以及所述入射面和出射面的过渡面，其特征在于，所述入射面为内凹的曲面；所述出射面为一个沿着X轴方向弧形凹下、Y轴方向弧形凸出形状的曲面。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述内凹曲面为中心对称的圆弧线、自由曲线垂直拉伸的长条形曲面。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在其出射面轮廓圆弧凸出，所述出射面的穿过透镜中心轴Z轴的横向截面的轮廓圆弧凸出、穿过透镜中心轴Z轴的纵向截面的轮廓弧形凹下。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述纵向截面上的正半截面轮廓的线段包括入射面轮廓线段AB，过渡面轮廓曲线BC，出射面轮廓曲线CD。

5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述CD曲线由AB与CD线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，将光源所发出的从0度到α角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，圆形区域内的照度为常数，CD上点坐标为(x，z)，光线从光源点到(x，z)经过CD上的点(x0，z0)，从而确定光源发出光线的顶角，再根据光能经过透镜的能量守恒公式，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据满足上述条件的微分方程解出CD曲线的数值解界定。

6.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述横向截面上的正半截面轮廓的线段包括入射面轮廓包含线段ab，过渡面轮廓为曲线bc，出射面轮廓为曲线cd。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述cd曲线由ab与cd线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，将光源所发出的从0度到β角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，cd上点坐标为(y，z)，光线从光源点到(y，z)为入射光线，从(y，z)到目标平面为出射光线，根据光能经过透镜的能量守恒公式，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据满足上述条件的微分方程解出cd曲线的数值解界定。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述反光杯的内反射面关于对称轴左右上下对称。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或玻璃。

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