专利名称：具有微结构光学系统的散射元件的节能型道路照明器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及节能型道路照明器件，特别涉及具有微结构光学系统的照明器件。
背景技术：
发光二极管作为一种固体发光元件，目前已广泛应用在交通灯，信号灯，全色大屏幕室内、室外广告牌，DVD光存储灯领域。与传统照明光源相比，发光二极管发光效率高，耗电量少，使用寿命长，安全环保。如果用发光二极管取代全部白炽灯和部分取代白炽灯，可以节省1/3的照明用电。针对采用发光二极管的节能道路照明灯具，必须进行合理地外光学系统设计。发光二极管器件的外光学设计主要是根据不同的实际应用使光能量重新分布，从而达到更有效、更合理地使用有限光能量的目的。
目前，采用发光二极管做照明光源制成的节能型道路照明灯具，其光学系统利用反射原理，采用反光板或反光镜使得光能分布满足要求，或有些采用屋脊形结构，这些方法结构复杂，难以投入生产使用。
发明内容
本发明的目的是解决现有发光二极管制作的节能型道路照明灯具结构复杂，难以投入生产使用的问题，提供一种具有菲涅尔微结构特性的节能型道路照明器件。
本发明的另一个目的是进行二次光学设计，采用合理的外光学系统，改善灯具的光学性能，使得灯具的照度分布满足要求的同时，保证照明器件结构简单，拆装方便。
为了完成本发明的目的，本发明首先提供了一个实现照明器件的基本元件即散射元件。每个路灯所用的散射元件包括两个或四个形状相同的小散射元件。散射元件的材料为有机玻璃或塑料。每个散射元件上有微直条型锯齿形槽结构，其大小与一般菲涅尔透镜齿形结构大小的数量级相当。两个散射元件齿对齿粘合成一个厚散射元件后，再将这样两个厚散射元件的侧面粘合，形成一个V字型结构的大散射元件，其两边两个厚散射元件夹角为150度。或者仅由两个小散射元件在侧边粘合形成一个大散射元件，两个小散射元件间夹角也为150度。形成V字型的散射元件，其锯齿形结构齿一边的小平面垂直于散射元件的底面，另一边的小平面即倾斜面与底面的夹角为45度，即锯齿形结构齿两边的夹角也为45度。当具有菲涅尔微结构特性的散射元件仅由两个散射元件侧边粘合而成时，V字型散射元件的左半边两个小散射元件粘合时，使倾斜面的倾斜角斜向左边，V字型散射元件的右半边小散射元件粘合时，使倾斜面的倾斜角斜向右边，且应使得元件上微型槽的方向与元件的接缝方向平行。当具有菲涅尔微结构特性的散射元件由4个散射元件粘合而成时，小散射元件齿对齿对接粘合时，使两个小散射元件锯齿形结构垂直于底面的小平面处在同一个平面上。且靠近光源的两个小散射元件中，左半边小散射元件的倾斜面倾斜角斜向左边，右半边的小散射元件的倾斜面倾斜角斜向右边且应使得元件上微型槽的方向与元件的接缝方向平行。
本发明同时提供了实现照明器件的另一个关键元件，发光二极管阵列照明光源，即提供一种发光二极管的排列方式。在两个不同的平面上将发光二极管排列成两个矩形阵列，每相邻两个芯片的中心间距相等，这两个平面间的夹角也为150度。发光二极管照明光源阵列平面上涂白色涂料增强对光的反射，提供光源对光能的利用效率。
其次，本发明提供一种发光二极管和散射元件的放置关系。V字型的散射元件，放置在发光二极管照明光源的正前方，如此，发光二极管照明光源阵列平面和散射元件相互平行。发光二极管照明光源和具有菲涅尔微结构特性的散射元件，两者之间放置的距离为20毫米，即两个发光二极管照明光源阵列平面的交线和两个散射元件交线之间的最短距离为20毫米。单个散射元件其板的面积大小比单个发光二极管矩形阵列面积略大，要保证能覆盖单个发光二极管矩形阵列。
此外，本发明在发光二极管照明光源和散射元件之间的空隙中设置有一个反射镜，以便更好地利用被反射到其他方向的杂散光，本发明还在发光二极管照明光源的阵列平面上涂覆有用于增强对光的反射的白色涂料层，从而提高灯具的光能利用率。
本发明的优点和积极效果本发明考虑到发光二极管光束方向性强的特点，采用本发明的结构对发光二极管阵列射出的光进行调制，使得光线在需要的方向上被散射到更宽的范围内，即在沿着道路上车辆行驶的方向上被散射到更宽的范围内，从而相应地控制了垂直于道路方向上的光束照射范围。
采用Lighttools软件对该结构进行仿真模拟，结果表明该使用发明能够使得沿车辆行驶方向道路上的照度均匀度有所改善。
进行实验的结果也表明该发明能够改善照度均匀度，即配光性能。尤其是道路边缘的照度均匀度。又采用一个2×3发光二极管小矩形阵列进行验证实验，使用两个小散射元件对接粘合的厚散射元件一个。结果表明单片的厚散射元件可以使得光斑的中心照度值，偏移60厘米，边缘的照度均匀性因此也较好，因此当使用四个小散射元件粘合成的元件时，会使得整个路面上的照度均匀性改善。
图1为发光二极管照明光源主视图；图2为图1的俯视图；图3a为单个小散射元件示意图；图3b为局部放大图；图4a为两个小散射元件粘合后的厚散射元件示意图；图4b为其局部放大图，两个小散射元件粘合后，齿尖对齿尖；图5为仅由两个小散射元件粘合成的大散射元件示意图；图6为两个厚散射元件粘合成的大散射元件示意图，整个散射元件关于中线3对称；图7为节能型道路照明器件结构图；散射元件放置在灯具的前方，散射元件亦可做为照明器件的灯罩；图中数字。
图8为用Lighttools软件进行仿真模拟的结果示意图；(a)为不采用该发明，采用平面矩形阵列照明光源的路面照度图；(b)为采用该发明时，所得到的路面照度图。该模拟结果设置的照明器件距地面距离为12m，x轴为沿车辆行驶方向，y轴为垂直于该方向。
图中1为发光二极管，2为控制电路及散热片，3为对称中线、也是粘合缝线，4为反射镜。
具体实施例方式
实施例1如图7所示，本发明提供的节能型道路照明器件由灯箱、控制电路和散热片、发光二极管阵列照明光源、散射元件和反射镜构成。发光二极管阵列发出的光束被散射元件散射后，得到的光分布满足道路照明要求(参见图8b)。小散射元件其齿尖夹角为45度(参见图3)。两个小散射元件粘合后形成一个厚散射元件(参见图4)。两个厚散射元件粘合后的夹角为150度(参见图6)。或者一个大散射元件仅由两个小散射元件侧边粘合而成(参见图5)。大散射元件可作为灯具的灯罩。两个不同平面上发光二极管排列成两个矩形阵列，这两个平面间的夹角也为150度。反射镜置于散射元件和发光二极管阵列之间的两侧。
权利要求
1.一种具有微结构光学系统的散射元件的节能型道路照明器件，包括灯箱、控制电路和散热片、发光二极管阵列照明光源，具有微结构光学系统的散射元件，其特征是所述具有微结构光学系统的散射元件是指具有菲涅尔微结构特性的散射元件，即散射元件的微观结构上呈锯齿形结构。
2.根据权利要求1所述的节能型道路照明器件，其特征是散射元件的锯齿形结构为直条型，其大小与一般菲涅尔透镜牙结构大小的数量级相当，牙间距大小为5毫米。
3.根据权利要求2所述的节能型道路照明器件，其特征是散射元件的锯齿形结构中齿的一边的平面垂直于散射元件的底面，另一边的小平面即倾斜面与底面的夹角为45度，即锯齿形结构齿两边的夹角也为45度。
4.根据权利要求1所述的节能型道路照明器件，其特征是散射元件由具有锯齿形结构表面的两个小散射元件侧边粘合；或由两个小散射元件以齿面相对粘接构成厚散射元件，2个厚散射元件再侧边粘合，形成夹角为150度的、宏观外形为V字型的大散射元件。
5.根据权利要求4所述的节能型道路照明器件，其特征是当具有菲涅尔微结构特性的散射元件仅由两个散射元件侧边粘合而成时，两个小散射元件粘合后的粘合缝与两元件上锯齿的齿缝方向一致，且V字型散射元件的左半边小散射元件在粘合时，使倾斜面的倾斜角斜向左边，V字型散射元件的右半边小散射元件在粘合时，使倾斜面的倾斜角斜向右边。当具有菲涅尔微结构特性的散射元件由4个散射元件粘合而成时，小散射元件齿对齿对接粘合时，使两个小散射元件锯齿形结构垂直于底面的小平面处在同一个平面上，且靠近光源的两个小散射元件中，左半边小散射元件的倾斜面倾斜角斜向左边，右半边的小散射元件的倾斜面倾斜角斜向右边，且应使得元件上锯齿的齿缝的方向与元件的接缝方向平行。
6.根据权利要求1所述的节能型道路照明器件，其特征是所述的发光二极管阵列照明光源中每相邻两个芯片的中心间距相等，并在两个平面上排列成两个矩形阵列，即从宏观上看发光二极管阵列的机械结构呈V字型，其两个矩形阵列之间夹角为150度。
7.根据权利要求1所述的节能型道路照明器件，其特征是散射元件的放置方式为其无锯齿形结构的平面靠近发光二极管阵列照明光源；放置在发光二极管照明光源的正前方，如此，发光二极管照明光源阵列平面和散射元件相互平行。
8.根据权利要求7所述的节能型道路照明器件，其特征是所述的发光二极管照明光源和散射元件两者之间的距离为20毫米，即两个发光二极管照明光源阵列平面的交线和两个散射元件交线之间的最短距离为20毫米；散射元件面积大小比单个发光二极管矩形阵列面积略大，保证能覆盖单个发光二极管矩形阵列。
9.根据权利要求1所述的节能型道路照明器件，其特征是发光二极管照明光源和散射元件之间的两侧设置有反射镜；发光二极管照明光源的阵列平面上涂覆有用于增强对光的反射的白色涂料层。
10.根据权利要求1所述的节能型道路照明器件，其特征是散射元件的材料为有机玻璃。
全文摘要
一种具有菲涅尔微结构特性的节能型道路照明器件。本发明提供的节能型道路照明器件由灯箱、控制电路和散热片、发光二极管阵列照明光源、散射元件和反射镜构成。散射元件是指具有菲涅尔微结构特性的散射元件，即散射元件的微观结构上呈锯齿形结构，其大小与一般菲涅尔透镜牙结构大小的数量级相当。采用本发明的结构对发光二极管阵列射出的光进行调制，使得光线在需要的方向上被散射到更宽的范围内，即在沿着道路上车辆行驶的方向上被散射到更宽的范围内，从而相应地控制了垂直于道路方向上的光束照射范围，得到的光分布完全满足道路照明要求。
文档编号F21Y101/02GK101078477SQ20071005751
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月1日 优先权日2007年6月1日
发明者刘铁根, 林松, 江俊峰, 饶建辉, 张芸 申请人:天津大学, 天津市协力光电有限公司