CN203147627U

CN203147627U - 用于led路灯的偏光透镜单元及透镜模组

Info

Publication number: CN203147627U
Application number: CN2012207226062U
Authority: CN
Inventors: 吴峰
Original assignee: SHENZHEN SPARK OPTOELECTRONICS S&T CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN SPARK OPTOELECTRONICS S&T CO Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2022-12-25

Abstract

本实用新型涉及一种用于LED路灯的偏光透镜单元及透镜模组，其中所述偏光透镜单元包括底部用于收集LED光线的入射面（11）、顶部的出射面（12）和围于出射面四周的连接平台（21），所述入射面（11）为卵圆形凹面，其经过光轴的横向剖面为半圆形，经过光轴的纵向剖面为倾斜的弧线；所述出射面（12）为类腰形凸面。与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：配光角度大，透镜单元在平行于道路方向的配光光线与透镜光轴的最大夹角能达到全角150°；偏光角度大，透镜单元在垂直于道路方向的配光光线偏离透镜光轴往道路中心方向倾斜，与透镜光轴的最大夹角为非对称的-33°至+56°，全角达到89°。

Description

用于LED路灯的偏光透镜单元及透镜模组

技术领域 本实用新型涉及非成像光学领域，特别涉及一种用于LED路灯的透镜单元及透镜模组。

技术背景 目前，高效节能的LED照明技术作为清洁能源得到了快速的发展，并在道路照明中获得了广泛的应用，并且得到了认可。二次光学透镜在LED路灯的配光中起到了决定作用。目前市场上大部分LED路灯的配光仍属于对称式的配光，即所采用的二次光学透镜，其配光曲面在X-X剖面及Y-Y剖面分别是对称配光的，即出射光线按照透镜的光轴左右和上下分别对称配光，形成一个左右对称和上下对称的长方形光斑。有一小部分LED路灯产品做了到非对称配光（即所谓的偏光），其配光曲线为蝙蝠翼形状，但是由于偏光透镜的曲面配光计算及建模比较困难，大部分LED路灯产品的偏光透镜的偏光角度只能做到30度，而且道路纵向的辉度均匀度尚未达到要求，这样对稍微宽一点的道路或着矮一点的灯杆就不适用。

另外，透镜的装配和防水也存在问题，目前一部分LED路灯产品采用一颗颗单独的透镜进行排列组装，然后使用一个共同的灯罩进行防水。这样一方面灯罩会增加灯头的重量，从而增加了安装路灯时进行高空作业的负担；另一方面灯罩本身会产生菲涅尔损耗，一个不镀膜灯罩之后，光损可达5%~8%。也有部分LED路灯虽然采用了模块式的透镜，并将防水和配光都做到模块上，可以不用再加灯罩，但是透镜模组的防水、防尘和防静电也是个非常具有挑战性的技术难题。虽然防水圈可以在短时间内起到防水效果，但是在静电、沙尘以及风吹日晒的作用下不断地冷暖循环，透镜模组的内表面很快就会起水雾，从而会缩短灯具的寿命。

实用新型内容 为了避免上述现有技术中的不足之处，本实用新型提出一种大配光角度、大偏光角度的偏光透镜单元及透镜模组。

设计一种用于LED路灯的偏光透镜单元，包括底部用于收集LED光线的入射面、顶部的出射面和围于出射面四周的连接平台，所述入射面为卵圆形凹面，其经过光轴的横向剖面为半圆形，经过光轴的纵向剖面为倾斜的弧线；所述出射面为类似腰形凸面。

进一步地，所述用于LED路灯的偏光透镜单元，在经过透镜光轴的横向剖面，从LED芯片发光面中心射出的光线，经入射面折射后方向保持不变，折射光线再经过出射面进行配光，配光后输出光线与透镜光轴的最大夹角为±75°，即全角为150°。

进一步地，所述用于LED路灯的偏光透镜单元，在经过光轴的横向剖面，从LED芯片发光面中心发出的入射光线（OP），经过出射面后为出射光线（PQ），假设入射光线（OP）与光轴（OZ）的夹角为q1，出射光线（PQ）与光轴（OZ）的夹角为q2，那么出射角（q2）与入射角（q1）之间满足配光条件：

Figure DEST_PATH_887655DEST_PATH_IMAGE001

。

进一步地，所述用于LED路灯的偏光透镜单元，在经过光轴的纵向剖面，从LED芯片发光面中心射出的光线,经入射面偏离光轴(OZ)向左偏折，偏折后的光线再入射到出射面上，经过出设面配光后，出射光线继续偏离光轴（OZ）往左进一步偏折，即透镜的输出光线往道路中心线方向倾斜，配光角度为非对称的-33°至+56°即全角为89°。

进一步地，所述用于LED路灯的偏光透镜单元，在经过光轴的纵向剖面，从LED芯片发光面中心发出的入射光线（OR），经过入射面进行第一次偏折，偏折后的折射光线（RS）入射到出设面上，最后输出出射光线（ST），假设入射光线（OR）与光轴（OZ）的夹角为d1即入射角，出射光线（ST）与光轴（OZ）的夹角为d2即出射角，那么出射角d2与入射角d1之间满足配光条件：

。

进一步地，所述用于LED路灯的偏光透镜单元，在经过光轴的纵向剖面，入射面的剖面轮廓线的轴线偏离光轴（OZ）向左6～１０°,优选为8°。

进一步地，所述偏光透镜单元的底部有用于放置LED光源的长方形凹台。

设计一种用于LED路灯的偏光透镜模组，包括若干偏光透镜单元，各偏光透镜单元之间用连接平台连接，所述偏光透镜单元包括底部用于收集LED光线的入射面、顶部的出射面，连接平台围于出射面四周，所述入射面为卵圆形凹面，其经过光轴的横向剖面为半圆形，经过光轴的纵向剖面为倾斜的弧线；所述出射面为类似腰形凸面。

进一步地，所述偏光透镜单元在经过光轴的横向剖面及经过光轴的纵向剖面分别有不同角度的配光，所述横向剖面平行于道路方向，纵向剖面垂直于道路方向，在所述横向剖面的配光，出射光线与透镜光轴的最大夹角为±75°即全角为150°；在所述纵向剖面的配光，光线偏离透镜光轴往道路中心方向倾斜，配光角度为非对称的-33°至+56°即全角为89°。

进一步地，所述偏光透镜模组外周设置有防水槽，防水槽中放置有防水密封圈。

进一步地，所述偏光透镜模组外周设置有隔离槽。

进一步地，所述偏光透镜模组的下表面设置有凹陷，用于避开印刷电路板上的螺丝帽或除LED光源以外的电子元器件。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

1. 配光角度大，透镜单元在平行于道路方向的配光光线与透镜光轴的最大夹角能达到±75°，即全角150°；偏光角度大，透镜单元在垂直于道路方向的配光光线偏离透镜光轴往道路中心方向倾斜，与透镜光轴的最大夹角为非对称的-33°至+56°，即全角达到89°。

2. 偏光透镜模组的四周设置有防水槽、隔离槽以及定位螺丝孔，这样可以将透镜模组定位在印刷电路板上，同时做到防水、隔离水雾和静电产生的灰尘。透镜模组的上表面和下表面分别设置有凸起及凹陷，其所形成的空间用来避开印刷电路板上的螺丝帽和其他电子元器件，使透镜模组可以紧密地和印刷电路板密封起来。

附图说明

图1是本实用新型所涉及的偏光透镜单元的轴侧投影图，其中图1-1是轴侧投影图，图1-2是主视图；图1-3是仰视图；图1-4是左视图，图1-5是后视图；

图2是本实用新型所涉及的偏光透镜单元的剖面图，其中图2-1是在Y-Y方向（垂直于道路方向）的剖面图，图2-2及X-X方向（平行于道路方向）的剖面图；

图3是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在X-X剖面的配光原理图；

图4是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在Y-Y剖面的配光原理图；

图5是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在Y-Y剖面、底部卵圆形凹面11对光线的偏折图；

图6是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在X-X剖面、曲面12对单根光线的配光图；

图7是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在X-X剖面、出射角q2与入射角q1之间的关系曲线图；

图8是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在Y-Y剖面、曲面12对单根光线的配光图；

图9是本实用新型所涉及的偏光透镜单元在Y-Y剖面、出射角d2与入射角d1之间的关系曲线图；

图10是本实用新型所涉及的偏光透镜模组的轴侧投影图，其中图10-1是三维视图，图10-2是主视图，图10-3是仰视图，图10-4是左视图，图10-5是后视图；

图11是图10的沿A-A方向的剖面组装示意图；

图12是图10的沿B-B方向的剖面组装示意图；

图13是本实用新型所涉及的偏光透镜模组的光线追迹图；

图14是本实用新型所涉及的偏光透镜模组在10米远处的照度分布灰度图；

图15是本实用新型所涉及的偏光透镜模组的光强的远场角度分布（配光曲线）图；

图16是三车道、单侧布光的150瓦装设有所述偏光透镜模组的LED路灯的路面辉度分布的分析结果图；

图17是三车道单侧布光的150瓦装设有所述偏光透镜模组的LED路灯的路面照度分布的分析结果图。

具体实施方式以下结合附图对实施例做进一步详述

图1为偏光透镜单元的各面视图，其中图1-1是轴侧投影图，图1-2是主视图；图1-3是仰视图；图1-4是左视图，图1-5是后视图。如图1和图2所示，偏光透镜单元1包括底部用于收集LED光线的入射面11、顶部的出射面12和围于出射面12四周的连接平台21。所述入射面11为非对称的卵圆形凹面，其经过光轴的横向剖面为半圆形，经过光轴的纵向剖面为倾斜的弧线。所述出射面12为类似腰形凸面，如图1-2所示，出射面12的外轮廓线两头圆弧，下方轮廓线向内稍凹入。如图1-5和图2所示，偏光透镜单元1底部有用于放置LED光源的长方形凹台13，LED光源放置于仰视图中X-X及Y-Y剖面线的交叉位置。

所述偏光透镜单元1，其在X-X剖面（经过光轴OZ的横向剖面）的光学特征如图3所示，其配光原理为：在X-X剖面，底部卵圆形凹面11的横截线为一个半圆形，从LED芯片发光面中心O点射出的光线，经入射面11折射后方向保持不变，折射光线再经过出射面12进行配光，配光后的输出光线与透镜光轴的最大夹角为±75°即全角为150°。图中光轴OZ为经过LED芯片发光面O点、并且垂直于LED芯片的轴线。

所述偏光透镜单元1，其在Y-Y剖面（经过光轴OZ的纵向剖面）的光学特征如图4所示。其配光原理为：在Y-Y剖面，入射面 11的横截线为一倾斜的曲线，其将LED的光线偏离光轴OZ往左偏折，偏折后的光线再入射到出射面12上，经出射面12配光后，输出光线偏离光轴OZ往左再进一步偏折。即LED路灯的输出光线往道路中心线方向倾斜，而不是直接射向灯头的正下方，配光后输出光线的角度分布在与光轴OZ的夹角为非对称的-33°至+56°范围（即全角为89°）。图4中光线偏斜的方向即边缘光线最大角度为56°的方向为朝着道路中心线的方向，另外边缘光线最大角度为33°的方向为朝着道路外边、即灯杆的方向。

所述偏光透镜单元1，其在Y-Y剖面，底部卵圆形入射面11对光线的偏折如图5所示，入射面11在Y-Y方向的剖面轮廓线并非为半圆形，而是一条曲率半径比较大、类似于倾斜椭圆形的曲线，优选地，其轴线偏离光轴OZ向左8°，其可以将入射光线沿着曲线轴线的方向偏折，并稍稍会聚。

所述偏光透镜单元在X-X剖面，出射面12对单根光线的配光如图6所示。从LED芯片发光面中心O点发出的光线OP，经过曲面12配光后，以光线PQ出射。假设入射光线OP与光轴OZ的夹角为q1，这里称之为入射角。出射光线PQ与光轴OZ的夹角为q2，这里称之为出射角。当光线射向光轴左边时，角度为负，当光线射向光轴右边时角度为正。那么出射角q2与入射角q1之间满足配光条件：

Figure DEST_PATH_159553DEST_PATH_IMAGE001

（公式1）

图7为根据公式1绘制的所述偏光透镜单元在X-X剖面，出射角q2与入射角q1之间的关系曲线。出当入射角q1为-90°时，出射角q2为-75°。当入射角q1为90°时，出射角q2为75°。

所述偏光透镜单元在Y-Y剖面，出射面12对单根光线的配光如图8所示。从LED芯片发光面中心O点发出的光线OR，经过底部卵圆形入射面11进行第一次偏折，折射后以光线RS入射到出射面12上，出射面12再将光线进行配光，最后以光线ST输出。假设光线OR与光轴OZ的夹角为d1，这里称之为入射角。出射光线ST与光轴OZ的夹角为d2，这里称之为出射角。当光线射向光轴左边时，角度为负，当光线射向光轴右边时角度为正。那么出射角d2与入射角d1之间满足以下公式2的配光条件：

Figure DEST_PATH_795065DEST_PATH_IMAGE002

（公式2）

图9为根据公式2绘制的所述偏光透镜单元在Y-Y剖面，出射角d2与入射角d1之间的关系曲线。出当入射角d1为-90°时，出射角d2为-56°。当入射角d1为90°时，出射角d2为33°。

根据公式1及公式2所述的配光条件，可以利用微分迭代的数值计算方法分别逐点计算出偏光透镜单元的配光曲面12在X-X剖面及Y-Y剖面的轮廓线上的各点坐标值，再利用三维建模软件包络成一个自由曲面，并建立起透镜单元的三维实体模型。

利用上述偏光透镜单元组成的偏光透镜模组的三维视图和各面视图见图10，其中，图10-1是三维视图，图10-2是主视图，图10-3是仰视图，图10-4是左视图，图10-5是后视图。如图10至图12所示，偏光透镜模组包括多个偏光透镜单元1，各透镜单元1之间由连接平台21连接。优选地，偏光透镜模组四周设置有防水槽4，防水槽4内放置防水密封胶圈8，将LED和印刷电路板9密封在一起。偏光透镜模组上还可以设置隔离槽5，用来隔离水雾和静电产生的灰尘。偏光透镜模组上设置定位螺丝孔3，用于将透镜模组定位在印刷电路板上。所述透镜模组下表面设置有圆形或其他形状的凹陷7，用来容纳印刷电路板上的螺帽和其他电子元器件，使透镜模组可以紧密地和印刷电路板密封起来。

以下为采用本实用新型技术的偏光透镜模组的计算机模拟及光度分析。假设LED的型号为CREE XPE，单颗LED的光通量为90流明，图13为所述偏光透镜模组的光线追迹。图14为所述偏光透镜模组在10米远处的照度分布灰度图，可以看出光斑分布近似于长方形，光斑偏向叉丝线的上方（叉丝中心正对偏光透镜模组的正前方）。图15为偏光透镜模组光强的远场角度分布，即配光曲线。图中H 0_Deg曲线是沿着道路方向的配光曲线，呈蝙蝠翼分布，峰值光强一半位置的光束角大小为：-74.9021889490116730°~ 75.0790618572874560°，即全角150°。图中V 0_Deg曲线是垂直于道路方向的配光曲线，呈偏轴分布，峰值光强一半位置处的光束角大小为：- 33.5858891834119790°~ 55.9990587801196110°，即全角为89.6°，与用数学公式计算的结果89°几乎完全一致。

利用多块本实用新型透镜模组组装成一个150瓦的LED路灯，对测试出的IES光源数据文件进行道路照明的模拟和分析，其可以完全满足国家城市道路照明设计标准所规定的照度及辉度均匀度要求。假设LED路灯布置为单侧布光，路面宽度为12米，共3车道，灯杆高10米，相邻两灯间距为35米，悬臂长1.5米，灯头探出路面1米，灯头仰角15度。

那么路面辉度分布及照度分布的分析结果如图16和图17所示，从图中可以看出，路面辉度分布及照度分布的分析结果都满足了国家城市道路照明设计标准所规定的照度及辉度均匀度要求。

Claims

1.一种用于LED路灯的偏光透镜单元，包括底部用于收集LED光线的入射面（11）、顶部的出射面（12）和围于出射面四周的连接平台（21），其特征在于：所述入射面（11）为卵圆形凹面，其经过光轴的横向剖面为半圆形，经过光轴的纵向剖面为倾斜的弧线；所述出射面（12）为类腰形凸面。

2.如权利要求1所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：在经过透镜光轴的横向剖面，从LED芯片发光面中心射出的光线，经入射面（11）折射后方向保持不变，折射光线再经过出射面（12）进行配光，配光后输出光线与透镜光轴的最大夹角为±75°，即全角为150°。

3.如权利要求1所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：在经过光轴的横向剖面，从LED芯片发光面中心发出的入射光线（OP），经过出射面（12）后为出射光线（PQ），假设入射光线（OP）与光轴（OZ）的夹角为θ1，出射光线（PQ）与光轴（OZ）的夹角为θ2，那么出射角（θ2）与入射角（θ1）之间满足配光条件：

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4.如权利要求1所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：在经过光轴的纵向剖面，从LED芯片发光面中心射出的光线,经入射面(11)偏离光轴(OZ)向左偏折，偏折后的光线再入射到出射面(12)上，经过出设面（12）配光后，出射光线继续偏离光轴（OZ）往左进一步偏折，即透镜的输出光线往道路中心线方向倾斜，配光角度为非对称的-33°至+56°即全角为89°。

5.如权利要求1所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：在经过光轴的纵向剖面，从LED芯片发光面中心发出的入射光线（OR），经过入射面（11）进行第一次偏折，偏折后的折射光线（RS）入射到出设面（12）上，最后输出出射光线（ST），假设入射光线（OR）与光轴（OZ）的夹角为δ1即入射角，出射光线（ST）与光轴（OZ）的夹角为δ2即出射角，那么出射角δ2与入射角δ1之间满足配光条件：

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6.如权利要求1所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：在经过光轴的纵向剖面，入射面（11）的剖面轮廓线的轴线偏离光轴（OZ）向左6～10°。

7.如权利要求6所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：在经过光轴的纵向剖面，入射面（11）的剖面轮廓线的轴线偏离光轴（OZ）向左8°。

8.如权利要求1所述的用于LED路灯的偏光透镜单元，其特征在于：所述偏光透镜单元的底部有用于放置LED光源的长方形凹台（13）。

9.一种用于LED路灯的偏光透镜模组，包括若干偏光透镜单元（1），各偏光透镜单元之间用连接平台（21）连接，所述偏光透镜单元（1）包括底部用于收集LED光线的入射面（11）、顶部的出射面（12），连接平台（21）围于出射面（12）四周，其特征在于：所述入射面（11）为卵圆形凹面，其经过光轴的横向剖面为半圆形，经过光轴的纵向剖面为倾斜的弧线；所述出射面（12）为类似腰形凸面。

10.如权利要求9所述的用于LED路灯的偏光透镜模组，其特征在于：所述偏光透镜单元（1）在经过光轴的横向剖面及经过光轴的纵向剖面分别有不同角度的配光，所述横向剖面平行于道路方向，纵向剖面垂直于道路方向，在所述横向剖面的配光，出射光线与透镜光轴的最大夹角为±75°即全角为150°；在所述纵向剖面的配光，光线偏离透镜光轴往道路中心方向倾斜，配光角度为非对称的-33至+56°即全角为89°。

11.如权利要求9所述的用于LED路灯的偏光透镜模组，其特征在于：所述偏光透镜模组外周设置有防水槽（4），防水槽（4）中放置有防水密封圈（8）。

12.如权利要求9所述的用于LED路灯的偏光透镜模组，其特征在于：所述偏光透镜模组外周设置有隔离槽（5）。

13.如权利要求9所述的用于LED路灯的偏光透镜模组，其特征在于：所述偏光透镜模组的表面设置有凹陷，用于容纳印刷电路板上的螺帽或除LED光源以外的电子元器件。