CN101852385A - 用于led路灯的配光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于LED路灯的配光透镜，所述LED包括LED芯片、以及与所述LED芯片封装在一起的封装透镜，且具有光轴，所述透镜包括：连续的马鞍型的配光曲面，关于所述光轴对称，用于将对应LED芯片发出的朗伯分布的光配成沿道路长度方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布；凹陷的半球面，位于所述透镜的底部，关于所述光轴对称并与对应LED封装透镜的形状相匹配；以及连接平面，位于所述透镜的底部，用于连接所述配光曲面和所述半球面。这种透镜可将对应LED芯片发出的朗伯分布的光配成沿道路长度方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布，在道路的长方向上形成长方形的光斑，提高了光线的利用率，增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。

Description

用于LED路灯的配光透镜

技术领域

本发明涉及LED照明的非成像光学技术，更具体地说，涉及一种用于LED路灯的配光透镜。

背景技术

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)技术的发展开辟了照明技术革命的新时代。由于LED具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点，使得LED路灯照明技术在最近几年得到了迅速发展。由于大部分LED光源的辐射角分布为110度至120度的郎伯分布(Lambertian distribution)，如果没有经过配光，照在地面上的光型将会为面积较大的圆型的光斑，约50％的光散落到马路之外没有被利用起来，而且会对远处的车辆或行人产生眩光，与路面照明的要求不符。良好的道路照明要求路灯的配光为长方形的光斑，将几乎所有的光都分布在路面上。

此外，有些主干路上由于路灯安装的间距比较远，如灯距为50米或60米，现有的路灯很难对两灯之间的路面进行充分的照明，为了使两灯之间的区域能够充分的照明，需要采用大角度的LED配光透镜，譬如采用光束全角为135°～145°的配光透镜。为了使LED路灯正下方和LED路灯之间的路面上的照度都差不多，LED路灯在配光设计时还需要设计成蝙蝠翼形状的光强分布。蝙蝠翼形状的光强分布才能压制路灯正下方路面的光照度，增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。这是本领域目前急需解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中LED路灯的光线利用率低、灯具间隔远使得路面光照不均的缺陷，提供一种用于LED路灯的配光透镜，可增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于LED路灯的配光透镜，所述LED包括LED芯片、以及与所述LED芯片封装在一起的封装透镜，且具有光轴，其中，所述透镜包括：

连续的马鞍型的配光曲面，关于所述光轴对称，用于将对应LED芯片发出的朗伯分布的光配成沿道路长度方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布；

凹陷的半球面，位于所述透镜的底部，关于所述光轴对称并与对应LED封装透镜的形状相匹配；以及

连接平面，位于所述透镜的底部，用于连接所述配光曲面和所述半球面。

根据本发明所述的配光透镜，所述配光曲面沿道路宽方向且通过所述光轴的截面上，对应LED芯片发出的光线经所述半球面和配光曲面出射后，具有共同的焦点。

根据本发明所述的配光透镜，所述共同的焦点位于所述光轴上，且所述共同的焦点、所述光轴与LED芯片的发光面的中心点互为共轭点。

根据本发明所述的配光透镜，所述配光曲面沿道路宽方向且通过所述光轴的截面上，透镜的边缘光线与所述光轴的夹角为

根据本发明所述的配光透镜，

为32°。

根据本发明所述的配光透镜，所述配光曲面沿道路长方向且通过所述光轴的截面上，出射角最大的光线与所述光轴的夹角为ω，60°＜ω＜75°。

根据本发明所述的配光透镜，ω为70°。

根据本发明所述的配光透镜，所述配光曲面沿道路长方向且通过所述光轴的截面曲线满足以下条件：

从LED芯片中心发出的光，当角度小于ω时，经透镜后，光线是发散的，其出射角δ′符合：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right]$

当从LED芯片中心发出的光，当角度大于ω时，光线向光斑中间会聚，其出射角符合：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}[\frac{2\×\mathrm{\ω}-\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}]$

δ为从LED芯片发出的光线的角度，δ′为经过透镜折射后的出射角度。

实施本发明的用于LED路灯的配光透镜，具有以下有益效果：可将对应LED芯片发出的朗伯分布的光配成沿道路长度方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布，在道路的长方向上形成长方形的光斑，提高了光线的利用率，增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中透镜的等侧图；

图2是本发明中透镜的俯视图；其中A-A截面为沿道路宽方向且通过光轴的截面，B-B截面为沿道路长方向且通过光轴的截面。

图3是本发明中透镜的侧视图；

图4是本发明中透镜的正视图；

图5是本发明中透镜的仰视图；

图6是沿着图2中A-A的截面图；

图7示出了图6中截面的轮廓线的数学模型；

图8是沿着图2中B-B的截面图；

图9示出了图8中截面的轮廓线的数学模型；

图10示出了图2中A-A、B-B的截面轮廓线坐标的数值计算结果；

图11示出了经过O点与Z轴呈不同角度的截面曲线；

图12示出了透镜在不同角度截面的光线的位置；

图13示出了透镜在不同角度截面的轮廓线；

图14示出了透镜的实体模型；

图15示出了透镜的光线追迹；

图16a-16c示出了透镜在12米远处的照度分布；

图17示出了透镜光强呈蝙蝠翼形状的远场角度分布的极坐标图；

图18示出了透镜光强的远场角度分布的直角坐标图；

图19示出了透镜在PCB板上的排列方式；

图20示出了LED路灯的光线追迹；

图21a-21c示出了LED路灯在12米远处的照度分布；

图22示出了路灯光强呈蝙蝠翼形状的远场角度分布的极坐标图；

图23示出了路灯光强的远场角度分布的直角坐标图。

具体实施方式

如图5和图6所示，本发明的LED路灯包括：电路板(未图示)、连接于电路板上的多个LED 4、以及覆盖于单个LED 4上的配光透镜5。该LED 4包括LED芯片7、以及与LED芯片7封装在一起的球形封装透镜6。

透镜5的形状如图1-6所示，包括光轴OY，该光轴OY经过LED芯片7的发光面中心，且垂直于LED芯片7的发光面。透镜5具有一个连续的马鞍型的配光曲面1，该配光曲面1关于光轴OY对称，并非由两个局部球面及介于两个局部球面之间的过渡面组成，用于将对应LED 4发出的朗伯分布的光配成沿道路方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布，形成覆盖道路的均匀分布的长方形的光斑。透镜5底部有凹陷的半球面2，该半球面2以LED芯片7中心位置O为球心，形状与LED 4的球形封装透镜6的形状相匹配。该半球面2的主要作用是将透镜5扣在LED 4上方，同时半球面2可以保持LED 4发出的光线传播方向不变，只由上面的马鞍型曲面1对LED 4发出的光进行配光。该透镜5底部还有一个连接马鞍型曲面1和半球面2之间的连接平面3，该连接平面3对透镜5的光学特性无任何影响，其上可设置任何形状的用于安装透镜5的卡脚。

参照图6，在配光曲面1沿着道路宽方向且通过光轴OY得到的A-A截面上，透镜5出来的光束角需要正好可以覆盖马路的宽度，假设马路是3个车道的，那么光斑的宽度需要正好覆盖3个车道的范围，所以这个方向需要对LED4进行会聚的配光，配光的角度需要根据马路的宽度和灯的安装高度来决定，一般情况下这个方向的光束全角设计为60°左右。图6中，O点为郎伯分布LED芯片7中心位置，在A-A横截面，从LED芯片7的中心位置O发出的所有的光经半球面2和马鞍型曲面1出射后，其反向延长线都交于焦点F，F位于光轴OY上，F与O点互为共轭点，即互为物像关系。透镜5的边缘光线FBC与光轴OY的夹角为

为大于等于30°的一个角度，此发明优选为32°。

参照图7，透镜5沿A-A横截面的轮廓线由该数学模型用积分迭代法来计算。假设P(x，y)为轮廓线上的一点；NN为P点的法线；KK为P点的切线；VV为经过P点的竖直线；HH为经过P点的水平线；FC为透镜5的边缘光线，FC与OY轴的夹角为

F点的位置由边缘光线角度和B点的位置决定：

B点为该轮廓线的初始点，假设其对应的坐标值为(3.5，0)。P点对应从LED芯片7中心O射出的光线的出射角为θ，经曲面折射后其出射光线与竖直线VV之间的夹角为θ′，则

$\tan {\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{x}{y+\mathrm{OF}}$

${\mathrm{\θ}}^{\′}={\tan }^{-1}\frac{x}{y+\mathrm{OF}}---\left(2\right)$

i为P点位置的入射光线OP与法线NN之间的夹角；o为P点位置的出射光线PR与法线NN之间的夹角；γ为切线KK与水平线HH之间的夹角。根据直角∠VPH，有：

$(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ})+o+{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\π}}{2},$

o＝γ-θ′    (3)

根据P点的坐标，有：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{x}{y}---\left(4\right)$

从三角形OFP有：

θ＝β+θ′

再从直角/HPV，有：

$(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ})+i+\mathrm{\β}+{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

$(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\γ})+i+\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

i＝γ-θ    (5)

根据P点的斯涅尔(Snell)折射定律：

nsini＝sin o

nsin(γ-θ)＝sin(γ-θ′)

nsinγcosθ-ncosγsinθ＝sinγcosθ′-cosγsinθ′

得出：

$\tan \mathrm{\γ}=\frac{n\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}}{n\cos \mathrm{\θ}-\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}}---\left(6\right)$

上式中n为透镜5的折射率，由透镜5的材料所决定，透镜5的材料为PMMA或PC。由于曲线P点位置坐标的微分与切线KK的正切角有如下关系：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=-\tan \mathrm{\γ}---\left(7\right)$

其中dx、dy为X和Y坐标的有限微元，P点下一个点的坐标为：

x_next＝x+dx    (8)

y_next＝y+dy

假设微元dy＝0.01mm，联合公式(1)至公式(8)，AA截面的轮廓线的坐标点数据可以由积分迭代法算出。

参照图8，配光曲面1沿道路长方向且通过光轴OY的截面B-B上，透镜5沿该截面的配光主要负责道路长度方向的照明，配光的角度需要根据灯距和灯的安装高度来决定。譬如在灯距为32米的情况下，灯的安装高度为10米的时候，道路方向的配光角度(光束全角)约为120°。有些主干路上由于路灯安装的间距比较远，如灯距为50米或60米，为了使两灯之间的区域能够充分的照明，需要采用大角度的配光透镜5，譬如采用光束全角为135°～145°的透镜。本发明优选光束的发散全角为140°。为了使LED路灯正下方和LED路灯之间的路面上的照度都差不多，透镜5在配光设计时需要设计成蝙蝠翼形状的光强分布。蝙蝠翼形状的光强分布可以压制路灯正下方路面的光照度，增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。

图8中，角度为ω的那根光线为透镜5的边缘光线，即出射角最大的光线，ω决定了路灯光斑沿马路方向的最远处的照明位置，ω的大小决定两灯之间允许的灯距，ω为大于60°小于75°，此发明ω优选为70°。从LED芯片7中心O发出的光，当角度小于ω时，经透镜5后，光线是发散的，其出射角δ′满足以下条件：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right]$

当从LED芯片中心发出的光，当角度大于ω时，光线向光斑中间会聚，其出射角满足：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{2\×\mathrm{\ω}-\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right]---\left(10\right)$

上述式中，δ为从LED芯片7中心O发出的光线的角度，δ′为经过透镜5折射后的出射角度，ω为透镜5边缘光线的角度。出射光线满足上述式(9)和式(10)时，所形成的配光为蝙蝠翼形状的光强的远场角度分布，详细的模拟结果参考后续内容。

B-B截面的轮廓线由图9的数学模型用积分迭代法来计算。如图9所示，图中O为LED芯片的中心位置，Q(x，y)为截面轮廓线上的一点，该点对应的入射光线为OQ，OQ与光轴OS夹角为δ；QR为出射光线，其与竖直线VV的夹角为δ′；NN为Q点的法线；KK为Q点切线，其与水平线HH的夹角为γ；i为入射光线OQ与法线NN的夹角；o为出射光线QR与法线NN的夹角。δ′与δ角的关系如下：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right],$ 当δ≤ω

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{2\×\mathrm{\ω}-\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right],$ 当ω＜δ≤90°    (11)

由直角∠KQN，有：

$o+(\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\δ}}^{\′})+\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

o＝δ′-γ    (12)

由直角∠KQN的另外一边，有：

$\mathrm{\γ}+(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\δ})+i=\frac{\mathrm{\π}}{2}$

i＝δ-γ      (13)

根据Q点的斯涅尔折射定律(Snell law)：

n sini＝sin o

n sin(δ-γ)＝sin o

n sinδcosγ-n cosδsinγ＝sinδ′cosγ-cosδ′sinγ

$\tan \mathrm{\γ}=\frac{n\sin \mathrm{\δ}-\sin {\mathrm{\δ}}^{\′}}{n\cos \mathrm{\δ}-\cos {\mathrm{\δ}}^{\′}}---\left(14\right)$

上式中n为透镜5的折射率，由于曲线Q点位置坐标的微分与切线KK的正切角有如下关系：

$\tan \mathrm{\γ}=-\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}---\left(15\right)$

y_next＝y+dy    (16)

x_next＝x+dx

以A-A截面轮廓线的数学模型算出的S点的坐标为起始点，联合公式(11)至(16)式，B-B截面轮廓线的数值坐标也可以通过积分迭代法算出。

根据图7和图9的数学模型，得到如图10所示的A-A截面和B-B截面轮廓线坐标的数值的计算结果。

参照图11，当A-A截面和B-B截面轮廓线计算出来之后，经过O点与Z轴成角度分别为：δ＝15°、30°、45°、60°、75°、90°的各截面的轮廓线坐标数值也可以依次算出。

根据图9及公式(11)，当边缘光线的角度ω＝70°时，B-B截面中入射角δ为15°、30°、45°、60°、75°、90°时，其出射角分别为：δ′＝30.5°、49.6°、60.5°、67°、68.6°、62.9°。其经过O的各截面的边缘光线的角度

，可以根据图12的几何关系算出。图中O为透镜5所在位置，ABCD为LED发出的光经过透镜5之后在距离为h的位置所形成的照射范围，形状为长方形，光线OL为截面OLL′内的边缘光线，∠LOH＝ω，这里优选为70°。中间的三角形ΔOWW′为δ＝0时候的光束截面，其边缘光线OW的角度为

往左的各个截面依次为δ＝15°、30°、45°、90°、60°、75°、70°的光束截面，其边缘光线的角度分别为：

22.05°、17.1°、15.9°、13.7°、12.07°、12.06°，δ＝75°和90°时的光束截面在δ＝70°之内，是因为δ＝70°是边缘光线，当δ超过了边缘光线之后，其光线的出射角将向光斑中间会聚，见公式(11)。

根据上述计算的不同截面的边缘光束的角度

用同样的方法根据公式(1)至公式(8)可以算出图11中这些截面轮廓线的坐标数值。将这些截面的轮廓线放在同一个二维的直角坐标轴上，轮廓线的相对位置和形状如图13所示。

将上述计算出来的不同截面轮廓线的坐标导入到3维建模软件中，以这些轮廓线为骨架，包络一层曲面后，就可以形成透镜实体。同时再根据高功率郎伯分布LED的几何尺寸建立LED的实体模型，此马鞍型透镜5联同LED的实体模型如图14所示。

将透镜5和LED的实体模型输入到光线追迹软件如LightTools中，将LED芯片的发光面赋予光源特性，并在12米远放置一接收屏，即可对透镜5进行光线追迹及光度分析，单个透镜5的光线追迹如图15所示。

透镜5在12米处的照度分布如图16a-16c所示，光斑的形状为长方形，光斑长宽约70米×16米，长度方向为道路的方向，宽度方向为垂直道路的方向，峰值照度的一半所在的位置约±32米。透镜5光强的远场角度分布见图17和图18，在道路方向，光强的远场角度分布曲线为蝙蝠翼形状，峰值光强一半位置处的角度宽度约为±70°，在垂直道路方向，峰值光强一半位置处的角度宽度约为±32°。

LED 4在PCB板上的一种排列方式如图19所示，所有透镜5的B-B方向都沿着马路的方向，A-A方向垂直于马路的方向，只要保证透镜5的方向一致，透镜5的排列方式可以有很多种，可以排列成矩形，也可以排列成圆形、椭圆形、星形和其他任何形状，这里排列成椭圆形。另外只要保证路面的平均照度在20lux以上，排列的数量可以根据LED的输出光通量大小和路灯安装的高度任意增加或减少。整体LED路灯的光线追迹如图20所示，接收屏放置于12米远处，以进行光线追迹后的光度分析。

屏幕上的光照度分布如图21a-21c，该透镜5形成均匀分布的长方形光斑，光斑长宽约70米×16米，长度方向为道路的方向，宽度方向为垂直道路的方向，峰值照度的一半所在的位置约±32米。透镜5光强的远场角度分布见图11和图23，在道路方向，光强的远场角度分布曲线为蝙蝠翼形状，峰值光强一半位置处的角度宽度约为±70°，在垂直道路方向，峰值光强一半位置处的角度宽度约为±32°。

本发明的配光透镜5可将对应LED芯片7发出的朗伯分布的光配成沿道路长度方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布，在道路的长方向上形成长方形的光斑，提高了光线的利用率，增加路灯之间的路面上的光照度，使路面照明变得很均匀。

Claims (8)

1.一种用于LED路灯的配光透镜，所述LED包括LED芯片、以及与所述LED芯片封装在一起的封装透镜，且具有光轴，其特征在于，所述透镜包括：

连续的马鞍型的配光曲面，关于所述光轴对称，用于将对应LED芯片发出的朗伯分布的光配成沿道路长度方向大角度的蝙蝠翼形状的光强分布；

凹陷的半球面，位于所述透镜的底部，关于所述光轴对称并与对应LED封装透镜的形状相匹配；以及

连接平面，位于所述透镜的底部，用于连接所述配光曲面和所述半球面。

2.根据权利要求1所述的配光透镜，其特征在于，所述配光曲面沿道路宽方向且通过所述光轴的截面上，对应LED芯片发出的光线经所述半球面和配光曲面出射后，具有共同的焦点。

3.根据权利要求2所述的配光透镜，其特征在于，所述共同的焦点位于所述光轴上，且所述共同的焦点、所述光轴与LED芯片的发光面的中心点互为共轭点。

4.根据权利要求3所述的配光透镜，其特征在于，所述配光曲面沿道路宽方向且通过所述光轴的截面上，透镜的边缘光线与所述光轴的夹角为

5.根据权利要求4所述的配光透镜，其特征在于，为32°。

6.根据权利要求1或2所述的配光透镜，其特征在于，所述配光曲面沿道路长方向且通过所述光轴的截面上，出射角最大的光线与所述光轴的夹角为ω，60°＜ω＜75°。

7.根据权利要求6所述的配光透镜，其特征在于，ω为70°。

8.根据权利要求6所述的配光透镜，其特征在于，所述配光曲面沿道路长方向且通过所述光轴的截面曲线满足以下条件：

从LED芯片中心发出的光，当角度小于ω时，经透镜后，光线是发散的，其出射角δ′符合：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right]$

当从LED芯片中心发出的光，当角度大于ω时，光线向光斑中间会聚，其出射角符合：

${\mathrm{\δ}}^{\′}={\tan }^{-1}\left[\frac{2\×\mathrm{\ω}-\mathrm{\δ}}{\mathrm{\ω}}\tan \mathrm{\ω}\right]$

δ为从LED芯片发出的光线的角度，δ′为经过透镜折射后的出射角度。

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