CN100590346C

CN100590346C - 一种led路灯

Info

Publication number: CN100590346C
Application number: CN200710125625A
Authority: CN
Inventors: 钱可元; 罗毅
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2027-12-29
Also published as: CN101220913A

Abstract

本发明公开一种LED路灯，包括LED光源，其特征在于，还包括至少两对不同的侧准直反射面，其中一对侧准直反射面用于通过反射将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩，另外一对侧准直反射面用于通过反射将在被照平面矩形的长度方向的光伸展。本发明由于设置了两对分别用于通过反射将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩和用于通过反射将在被照平面矩形的长度方向的光伸展的侧准直反射面。所以可以在路面上形成一个矩形照明区域，满足道路照明的要求。

Description

一种LED路灯

技术领域

本发明涉及光学***，尤其涉及一种LED路灯。

背景技术

现有的路灯光源大多采用高压纳灯、高压汞灯等，消耗功率较大，工作电压高，启动时间较慢，不便于对路灯的亮度在不同时间段进行调节，灯泡使用寿命短，使得灯管更换率过高，维护成本大幅上升。

LED作为一种新型的固体光源，同传统光源相比具有很多很多优势，如节能，环保，易于调节，寿命长等特点，因此非常适用于作为各种照明领域的光源，比如城市道路照明灯具的光源。

道路照明***不同于一般的照明灯具，其被照明的场是一矩形区域。根据国家公路照明标准，要满足在一矩形的被照平面上(一般是10米X35米)的平均照度以及照度的均匀性。而实际道路照明中大部分场所需要的也是一个条形的照明光斑，比如走廊、跑道、人行道、各种交通道路等。

目前出现的LED路灯，功率从几十到数百瓦，往往都是由多个LED组成，由于LED本身发出的光其分布近似为朗伯型，即光强呈余弦发布，在路面上形成的光斑通常是一个不均匀的圆斑：中心处很亮，而在径向衰减很快。这样形成的圆形光场将不利于光能的利用，无法满足矩形区域的照明要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以在路面上形成一个矩形照明区域的LED路灯。

本发明所述的LED路灯包括LED光源，其特征在于，还包括至少两对不同的侧准直反射面，其中一对侧准直反射面用于通过反射将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩，另外一对侧准直反射面用于通过反射将在被照平面矩形的长度方向的光伸展；其中，所述沿着被照平面矩形的宽度的方向为Y轴方向，沿着被照平面矩形的长度的方向为X轴方向，垂直于X、Y平面的方向为Z轴方向，所述将在被照平面矩形的长度方向的光伸展的一对侧准直反射面接近光源，其中心部分靠近光源处向Z轴方向突出，所述将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩的一对侧准直反射面远离光源，其外边缘为沿X轴方向的直线，内边缘与接近的光源的一对侧准直反射面的外边缘连接。

所述的LED路灯还包括至少一对端反射面。这样可以限定出射的最大角度和边缘光线的分布。

所述沿着被照平面矩形的宽度的方向为Y轴方向，沿着被照平面矩形的长度的方向为X轴方向，垂直于X、Y平面的方向为Z轴方向，所述将在被照平面矩形的长度方向的光伸展的一对侧准直反射面接近光源，其中心部分靠近光源处向Z轴方向突出，所述将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩的一对侧准直反射面远离光源，其外边缘为沿X轴方向的直线，内边缘与接近的光源的一对侧准直反射面的外边缘连接。这是较佳的两对不同的侧准直反射面的实施方案。

所述将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩的一对侧准直反射面是三维立体表面，其水平剖面上、侧表面剖面上的投影的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在3次以上的高次曲线；或者是上述曲线中任何一种两条或三条以上拼接的。上述的这些形状的发射面都可以达到将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩的目的。

所述将被照平面矩形的长度方向的光伸展的一对侧准直反射面是与Z轴夹角不小于90℃的曲面或斜面。夹角小于90℃不利于光的射出，这对侧准直反射面选择斜面，可以使设计简单；选择曲面，设计复杂，但可以更好地控制光线的分布。

所述的端反射面为曲面或斜面。选择斜面，可以使设计简单；选择曲面，设计复杂，但可以更好地控制光线的分布。

所述两对不同的侧准直反射面、一对端反射面组合成一组光学器件，所述光学器件为多组，每组分别对应一个LED光源，多组光学器件形成矩阵的拼接组合。这种LED的路灯的光学器件为多组。

所述LED光源为单个或多个LED芯片组合。这是具有多组光学器件的情况下，每组光学器件对应的LED光源为单个或多个LED芯片组合。

LED光源为单个或多个LED芯片组合，组合后LED芯片整体对应于两对不同的侧准直反射面，一对端反射面。这种LED的路灯的光学器件仅为一组，但对应的LED光源为单个或多个LED芯片组合。

所述LED路灯还包括一次封装透镜，LED芯片置于一次封装透镜的底部并与一次封装透镜封装成LED模块。一次封装透镜可采用球面或非球面透镜，与LED芯片封装成LED模块后可以使LED光源芯片的出光效率提高，采用非球面透镜可使出射光比原始的朗伯光源具有更大的出射半角。

本发明由于设置了两对分别用于通过反射将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩和用于通过反射将在被照平面矩形的长度方向的光伸展的侧准直反射面。所以可以在路面上形成一个矩形照明区域，满足道路照明的要求。

附图说明

图1是实施例1中LED路灯的立体透视图；

图2是实施例1中LED路灯的俯视图；

图3是实施例1中LED路灯的Y-Z坐标平面的截面图(侧视图)；

图4是实施例1中LED路灯***光线光路分析的俯视图；

图5是实施例1中LED路灯***出射光在X-Z投影面上角度变化示意图；

图6是实施例1中LED路灯***端反射面反射光线的示意图；

图7是实施例2中LED路灯的多组光学器件组合成阵列结构的示意图；

图8是实施例2中LED路灯***端反射面反射光线的示意图。

图9是实施例3中单组光学器件对应的多个LED芯片封装的排列结构示意图。

其中：1、LED光源，2、一次封装非球面透镜，3、反射表面、4、发射表面，5、反射表面，6、反射表面，7、荧光粉，8、端反射斜面、9、端反射斜面，10、光线，11、端反射曲面、12、端反射曲面，15、光线，16、光线，25、光线，26、光线，27、光线，28、光线，35、光线，36、光线，37、光线，38、光线，41、光线，42、光线，43、光线，45、光线，46、光线，51、光线，52、光线，53、光线，55、光线，56、光线，57、光线，65、光线，66、光线，67、光线。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

设计原理：

如果想要LED芯片发出的光合理的分配道路面上面，在路面上面形成一个均匀照度的长方形区域，则需要对LED芯片发出的光进行准直设计。

在非成像的准直设计方面，折射表面和反射表面是通常采用的两种手段。需要偏折的光线角度比较小的时候，可以采用折射表面完成偏折任务；当需要偏折光线的角度超过折射表面的偏折能力时，则都采用反射表面完成偏折任务。在一般的给定照射平面，给定照射光分布的光能传输光学***中，通常会用一个或多个透镜装置来完成光场波前变化的任务，由于目标光场为一矩形，光学部件也必然会拓展成为一个非旋转对称的三维光学***。然而一般基于折射原理的透镜***，必然会引入各类界面损耗和透镜体材料的吸收损耗，同时在光源偏离点光源近似的情况下，由于扩展光源边界的光线的射到折射面时其出射角度偏离光源中心光线的出射角度，而光学作用面往往是针对光源中心点的光线进行设计，这一出射角的偏差会引起内全反射，使光场分布偏离设计要求的同时也使***的光效大大下降。而对于反射式光学***则可以避免和减轻上述问题。同时反射表面光学***要较非球面精密透明折射透镜***在工业加工成型方面容易得都，成本更低。

立体角内发出的光线传输到一被限定的角度范围，而且要使目标的矩形光场内的照度均匀，因此曲面的设计采用新的三维曲面设计方法，既根据能量守恒定律，将光源平面的能量与照度平面的能量划分为能量对应相等的若干小区域，然后在一条出射光线与与之能量对应相等的照度平面上的点之间任选一点作为待求解的透镜表面的一个初始点，结合光源和照度平面的能量划分结果，利用叠代求解的方法求解出透镜表面所有离散点的坐标和法向矢量，从而确定一个发射面表面。这部分的详细方法可以参见中国发明专利申请书，公开号为：CN1928624A。

实施例1

参见图1、图2，本实施例中LED路灯包括LED光源，LED光源为多个，每一个LED光源为一个LED芯片1，LED芯片尺寸可以是350um×350um或1mm×1mm等型号，LED芯片上涂覆有荧光粉7。

每个LED芯片置于一个非球面的一次封装的发散性透镜2的底部并与一次封装发散性透镜封装成LED模块。每个LED芯片对应有一组光学器件，该组光学器件包括两对不同的侧准直反射面、一对端反射斜面8、9，其中一对侧准直反射面3、4用于通过反射将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩，另外一对侧准直反射面5、6用于通过反射将在被照平面矩形的长度方向的光伸展。所述沿着被照平面矩形的宽度的方向为Y轴方向，沿着被照平面矩形的长度的方向为X轴方向，垂直于X、Y平面的方向为Z轴方向，侧准直反射面5、6接近LED模块，侧准直反射面5、6是与Z轴形成的夹角不小于90℃的曲面或斜面，其中心部分靠近LED模块处向Z轴方向突出，所述侧准直反射面3、4远离光源，其外边缘为沿X轴方向的直线，内边缘与侧准直反射面5、6的外边缘连接。

为便于说明，在此假设目标光场是一在Y方向窄而在X方向宽的一个矩形，也即要求把光的出射半角在Y方向控制在θ0范围内而在X方向应控制在Ψ0范围内，θ0＜Ψ0，而LED光源为朗伯源，因此要求在X方向要对光线进行准直而对Y方向则要求将光线向大角度偏折。

反射面3，4和5，6两对曲面组合而成侧反射面来达到X方向对光线的偏折要求，曲面3，4是一个变形的二次曲面，它的作用是把光线在Y方向准直。曲面5，6是一个中间向Z轴突出的曲面，它的作用是把射到其上的光线向X的正负方向偏折，即增加出射光线的X轴方向分量，以形成X方向大的出射角，如图4所示。

所述透镜***的反射表面3，4在水平剖面上、侧表面剖面上的投影的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接而成。反射表面5，6在水平剖面上的投影的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接而成。

在X方向出射角大于Ψ0的光线，本发明中用另一对对称端部反射斜面8，9将其反射到所要求的被照角度范围内，以控制被照矩形光场的长度。如图6所示。

为便于理解，将设计的目标为灯离被照的平面距离为10米，被照明区域的宽度为10米，长度为35米时，θ0＝26.5度，Ψ0＝60.3度。由此可以确定各反射面的边缘尺寸、高度及位置，反射面5，6的高度h1取其中间最近距离D的0.5-0.9倍。

下面简述一下LED芯片的光发射路线。参见图3、图4、图5、图6，

LED芯片1放置于透镜***底部的中心点上。LED芯片1的光线从一次透镜2的表面折射出射后，入射到反射面的光线在X、Y方向将分别受到不同的反射效果；

在Y方向，一部分光线15(16)通过透镜2的折射成25(26)，先经过反射面5、6的反射后为光线35(36)，又经过反射面4、3的反射为出射光线45(46)，另一部分光线17(18)通过透镜2的折射成光线27(28)只经过反射面4、3的反射，成为光线37、38，还有部分光线不经过反射面直接出射如光线10，这些出射光最终的出射角都被限制在一个设定的半角范围θ0内，达到限制光场宽度的目的。如图3所示。

在X方向，一部分光线经过反射面5、6的反射后又经过反射面4、3的反射，如光线45(46)，另一部分光线只经过反射面4、3的反射如光线37(38)，这些光线在经过反射面5、6，4、3的作用后，出射光线在XZ投影面上与Z轴的夹角θ都会变大，θ4＞θ3＞θ2＞θ1，使得LED呈朗伯分布的中心较强的光能向大角度区域扩散。图4、5所示。

对由透镜2出射的大角度光线(Ψ＞Ψ0)，采用一对端反射斜面来改变其方向，使得所有出射光线如光线55、56、57、58及反射光线65、66、67，最终的出射角都被限制在一个设定的半角范围Ψ0内，达到限制光场长度的目的。如图6所示。

实施例2

在本实施例中的不同之处是一对端反射面为曲面11、12。LED光源组成的阵列，沿对称轴Z轴对称放置。如图7所示。每族光学器件与一个或若干LED芯片封装为一组，多组矩阵拼接组合使用。为使远场平面屏上的光斑为一个矩形，拼接时应使光学***的所有对称轴X和Y的方向一致或平行。

如图8所示，反射曲面11，12把由透镜2出射的大角度(Ψ＞ΨM)光线反射到X轴的反方向，设计边缘光线41，51的出射角就决定了***X方向的最大出射角度Ψ0，通常Ψ0＞ΨM。从而引导所有的出射光如：光线42、43，及发射光线52、53，都将射到远场一个矩形或条状的光照范围内。

实施例3

参见图9，在本实施例中的不同之处是LED光源为多个LED芯片组合，组合后LED芯片整体对应于两对不同的侧准直反射面，一对端反射面。这种LED的路灯的光学器件仅为一组，但对应的LED光源为多个LED芯片组合。

在具体实施中，光源所带的一次透镜2可以是球面镜，也可以是非球面透镜。光源也可不用透镜或采用平面封装，这些都只是改变了光源出射的光分布，在设计反射面时可以根据这些初始条件进行优化。

本发明设计的路灯***具有比一般折射透镜光学***更高的出光效率，***简单，易于大规模生产，可适用于高功率LED模块等优点，可完全替代现有的路灯，可适用于高速公路、主干路、次干路、支路照明的路灯。同时，每一个光学***都可以在整个照明区域内形成一个完整的光场，因此可以根据具体的照度要求和光源的光通量水平，将光源和透镜简单排成阵列，以满足不同路面对照度要求。本发明与现有的照明技术相比，具有高效、节能和使用灵活方便的特点，在LED道路照明，景观照明等领域，有着广阔的应用前景。

本发明的名称虽然为LED路灯，但实际上也可以用到户内，需要长方形区域照明的场所。所以如果他人将同样结构的LED灯用在户内，也应视为落入本发明的保护范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如：端反射面也可以是平面，LED芯片也可采用非发散透镜封装等，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种LED路灯，包括LED光源，其特征在于，还包括至少两对不同的侧准直反射面，其中一对侧准直反射面用于通过反射将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩，另外一对侧准直反射面用于通过反射将在被照平面矩形的长度方向的光伸展；其中，所述沿着被照平面矩形的宽度的方向为Y轴方向，沿着被照平面矩形的长度的方向为X轴方向，垂直于X、Y平面的方向为Z轴方向，所述将在被照平面矩形的长度方向的光伸展的一对侧准直反射面接近光源，其中心部分靠近光源处向Z轴方向突出，所述将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩的一对侧准直反射面远离光源，其外边缘为沿X轴方向的直线，内边缘与接近的光源的一对侧准直反射面的外边缘连接。

2、根据权利要求1所述LED路灯，其特征在于，所述的LED路灯还包括至少一对端反射面。

3、根据权利要求1所述LED路灯，其特征在于，所述将在被照平面矩形的宽度方向的光压缩的一对侧准直反射面是三维立体表面，其水平剖面上、侧表面剖面上的投影的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在3次以上的高次曲线；或者是上述曲线中任何一种两条或三条以上拼接的。

4、根据权利要求1所述LED路灯，其特征在于，所述将被照平面矩形的长度方向的光伸展的一对侧准直反射面是与Z轴夹角不小于90℃的曲面或斜面。

5、根据权利要求2所述LED路灯，其特征在于，所述的端反射面为曲面或斜面。

6、根据权利要求2所述LED路灯，其特征在于，所述两对不同的侧准直反射面、一对端反射面组合成一组光学器件，所述光学器件为多组，每组分别对应一个LED光源，多组光学器件形成矩阵的拼接组合。

7、根据权利要求6所述LED路灯，其特征在于，所述LED光源为单个或多个LED芯片组合。

8、根据权利要求2所述LED路灯，其特征在于，LED光源为单个或多个LED芯片组合，组合后LED芯片整体对应于两对不同的侧准直反射面，一对端反射面。

9、根据权利要求7所述LED路灯，其特征在于，所述LED路灯还包括一次封装透镜，LED芯片置于一次封装透镜的底部并与一次封装透镜封装成LED模块。