CN100507633C - 大功率led灯用聚光透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率LED灯用聚光透镜。它用于与LED发光芯片元件配用。该聚光透镜的第一面为平面或凹面，第二面的凸面为复合曲面，复合曲面光轴对称，复合面形相交界面的过渡面为面连续过渡。由于聚光透镜的凸面设有复合曲面，使照射到聚光透镜上的光线可按设定要求传向被照明处，进行重新分布，可以满足多方面的不同需要。本发明用于与平面型和凸面型的LED发光芯片元件配用后，将有助于推动大功率LED灯更加广泛的应用，特别是公路、隧道照明方面的应用，并实现节能。
Description
技术领域
本发明涉及复曲面透镜或多焦透镜。具体地说是一种与大功率LED灯配用的聚光透镜。
背景技术
目前大功率LED灯已开始在路灯、隧道灯、高杆灯、泛光灯、防爆行、射灯、景观灯、特种灯方面得到应用。LED灯具有功耗低，发光率高，无污染，寿命长的特点。
据中国专利200520122277.8公开的“一种大功率发光二极管照明路灯”载：该灯优点在于：能耗低、光效高、无眩光、造型新颖、结构简单、价格低廉、设计合理、简单的生产工艺、重量轻、使用寿命长，维护方便、可与功率型风能及太阳能配合使用；并以大的发光效率和大的光通量使用于高架和超高架路灯照明上，其经过透镜后照明角度小(<45度为多)，不能充分发辉作用，对于平面型的LED发光芯片的发射角为140度，要与之配用，普通的聚光透镜不能滿足在广角方面的要求。如在白光型芯片用于路灯照明时，特殊的照明范围更加难于与道路照明规范相匹配，有时光照区的边缘还会产生黄圈，从而影响它的应用推广。
发明内容
本发明的目的是要提供一种大功率LED灯用聚光透镜的结构方案，使上述不足得以克服。解决照明角度下光照明的分布问题。
本发明的聚光透镜基于透镜复合面形的设计应用。
本发明的大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所述的聚光透镜的第一面为平面或凹面，第二面的凸面为复合曲面，该复合曲面光轴对称，复合面形相交界面的过渡面为面连续过渡。
所述的复合曲面，由透镜边缘的环形球面与中心球面相复合。
所述的复合曲面，由透镜边缘的环形球面与中心非球面相复合。
所述的复合曲面，在垂直和水平方向分别光轴对称。
所述的透镜边缘的环形球面的中心轨迹与透镜的中心轴相分离。
所述的第一面为平面，其平面外沿设有肩台，平面中间设有凹陷。
本发明的效果：
由于聚光透镜的凸面设有复合面，使照射到聚光透镜上的光线可按设定要求传向被照明处，进行重新分布(例如椭圆分布、圆环形分布)，使之更有针对性，从而滿足多方面的不同需要；在平面上设置肩台和凹陷，则方便了LED发光芯片元件的安装和光照性能的改善。本发明用于与平面型和凸面型的LED发光芯片元件配用后，将有助于推动大功率LED灯更加广泛的应用，特别是公路、隧道照明方面的应用。突现其经济上的节能效果。
附图说明
图1是本发明大功率LED灯用聚光透镜的结构示意图。
图2是LED发光芯片与聚光透镜的关系说明图。
图3是设有肩台和平面中间凹进的聚光透镜的结构示意图。
图4是图2的俯视图。
图5是照明角度略小的实施例。
图6是透镜中心含非球面的实施例。
图7是路灯安装的状况。
图8是公路路灯的照明示意图。
图9是光线追跡原理示意图。
图10是聚光透镜光线追跡的示意图。
图11是聚光透镜光线追跡的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图作进一步说明。
参见附图。图1给出了本发明的大功率LED灯用聚光透镜。聚光透镜的第一面为平面或凹面，与光源接近，第二面的透镜凸面为复合曲面，该复合曲面光轴对称，复合面形相交界面的过渡面为面连续过渡。所说的光轴对称包括沿光轴或者说沿透镜中心轴的轴对称。或者上下方向的垂直对称和前后方向的水平对称。因为需求是多样的。图中的透镜：1是平面，2是复合曲面。3表示透镜边缘的环形(基本面)球面，4是过渡面，5是透镜中心球面，界面连续过渡可以避免产生界面的照明陰影。当第一面为凹面时，更适合与弧凸面的LED发光芯片元件配用。复合曲面透镜的应用有助于利用本光源进行广角照明。
图2所示，为了便于安装，透镜的边缘设有肩台6。平面前面的光源是一只LED发光芯片元件7。它的发射角为70(×2＝140)度。边缘光线在第一个面上的入射角确定后，从第二面上光线会聚角度只有40(×2＝80)度。比普通同心圆玻壳的情况减小了太多。路灯10米高时的照射角度要求大约为61～126度之间，因此，要将光源尽量往后移，并使边缘光线在第一面上的入射角減小。
图3、4所示是同一个实施例，垂直和水平方向上的凸面面形互不相同。聚光透镜的平面中间设有凹陷8。凹陷的形状像是一个沉入平面的池，其底角圆弧过渡。底面为圆弧状。其凸面为复合曲面，由透镜边缘的环形球面与中心二个正交球面相复合。光源后移，若边缘光线的入射角减小，相应出射光线的角度会大些。其中除1是平面，2是复合曲面。3是环形球面，4是过渡面，5是透镜中心复合球面，6是肩台外，9是另一个复合球面。图4中水平方向的复合曲面面形比较平缓，对应的出射光线角度较小。其垂直和水平方向正好对应了路面的纵横两个方向126和61度的照明要求，形成为椭圆形状的照明区。
对于六米杆高度公路的照明，其照射角度将提高到将近116～160度。
图5示意图表示另一个实施例，照明面积相对略小些。改变第一个面的平面为球面，加大入射角后可以增加出射光线的会聚度。有如包厢照明要的不在于角度而在于光能分布。
图6的复合曲面表示采用了椭球面，由透镜边缘的环形球面与中心椭球面相复合。一般而言，在适当兼顾到均匀照明的同时，非球面10的参与同样可以解决光照的不同分布问题。
图7表示的路灯安装情况。
公路旁灯杆间距为30米，在H＝10米杆的高度进行安装，要照亮灯下路面约20米宽×36米长的范围。照明灯斜向路中心。灯具位置的张角：横向为64度，纵向为122度。
所以，灯具的横向照明角度≌64度，纵向照明角度≌122度。对于隧道灯杆高按六米计，灯具的横向照明角度≌73度，纵向照明角度≌143度。(宜改用凸面芯片元件)
图8为路灯照明示意图，以本发明30W的一种LED灯在六米高设置为例，从正中向下的照明区呈椭圆形状，测得地面的照度分布，照度值从高向低分布如图示，其值依次为：
①1.0；②0.57；③0.44；④0.35：⑤0.30。边缘的最低照度将近为高亮处照度值的1/3。
应用中，采用双灯照明的两盏(2×30W)LED六米高的照明效果与250W的白炽灯效果相当。
图9为光线追跡原理所简明表示。光线在介质中传播随介质疏密而变化。在界面发生突变时，用光的折射定律n sinI＝n sinI′进行追跡。
如图示，从空气(光疏介质n＝1)进入光学玻璃(光密介质n＝1.51～1.64，石英玻璃接近于水的折射率1.33)入射角α>折射角α′，反之从玻璃进入空气时，折射角I′>入射角I。
图10所示是从图9的棱镜角特例过渡到本发明的聚光透镜的情况。选LED发光芯片元件的边缘光线，在h高度以70度角射出，可以通过作图和计算得到经过两个面后的出射光线的位置。图例中透镜边缘的环形球面的中心轨迹与透镜的中心轴相分离。
图11所示的情况与图10类似，选择不同的光线(优选特征光线)均可找到其最终行跡。例中透镜边缘的环形球面的中心轨迹与透镜的中心同轴。其边缘光线的会聚更偏向中心轴。通过选择不同的复合曲面面形可以改变出射光线的走向，实现被照射面上的照度按需分布。
Claims (6)
1、一种大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所述的聚光透镜的第一面为平面(1)或凹面，第二面的凸面为复合曲面(2)，该复合曲面光轴对称，复合面形相交界面的过渡面(4)为面连续过渡。
2、根据权利要求1所述的大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所说的复合曲面(2)，由透镜边缘的环形球面(3)与中心球面(5、9)相复合。
3、根据权利要求1所述的大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所说的复合曲面(2)，由透镜边缘的环形球面(3)与中心非球面(10)相复合。
4、根据权利要求1所述的大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所说的复合曲面(2)，在垂直和水平方向分别光轴对称。
5、根据权利要求1所述的大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所说的透镜边缘的环形球面(3)的中心轨迹与透镜的中心轴相分离。
6、根据权利要求1所述的大功率LED灯用聚光透镜，其特征在于所说的第一面为平面，其平面外沿设有肩台(6)，平面中间设有凹陷(8)。
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