专利名称：一种led格栅灯及其使用的透镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及LED灯技术领域，具体涉及用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜 的格栅灯。
背景技术：
LED作为新一代照明技术，代替白炽灯、卤钨灯、荧光灯、金卤灯等传统灯具的趋势 日益明显，但由于室内照明直接影响着人们眼睛的健康，所以对室内灯具光的质量的要求 比较高，而LED本身发出的光其分布近似为朗伯型，即发光强度随角度变化呈余弦分布， 在目标平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，所 以很不适合直接作光源来使用，而且由于其眩光问题的存在，如果直接作为光源使用，会 对眼睛会造成很大的伤害，所以需要对LED做二次配光设计才能作为照明光源使用。
授权公告号CN2908987Y的格栅灯设计是利用漫反射膜来解决眩光问题，但光能利用 率低，光能损失比较大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种LED格栅灯及其使用 的透镜。本实用新型采用如下技术方案
一种用于LED格栅灯的透镜，优选地，所述透镜由透明材料制成，透明材料为PC或 PMMA 。透镜包括入射面及出射面。所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹 坑，凹坑的坑壁面是半球面，构成所述的入射面；透镜的外表面是自由曲面，构成出射面。 该自由曲面的形状由如下方法确定
以过该透镜中心轴的截面为基准面，为建立坐标系，中心轴为Z轴，垂直于中心轴的 方向为X轴，因为透镜最终实现的是在目标平面上的均匀圆形光斑，所以可知透镜为中心 轴对称形状。因此我们只需要求出自由曲面在XZ平面上所对应的曲线，然后将其绕Z轴 旋转一周即可得到所需的自由曲面。 具体步骤
(1)由能量守恒求出最大照射半径。
fc A ^ ^其中P为目标平面的光照度，R为最大照射半
径，I为LED中心光强，-为LED出射光线与Z轴的夹角。 -的范围为[O， ；r/2]， I的取值由于所使用的LED而定；
(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与夹角-的关系式。;r/(1-cos ;r/2) Px;rxi 其中xd为夹角为^的光线经透镜折射后照射到目标平面 所对应的点的X轴坐标。
可以得到
(3)由折射公式求出曲线上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入 射光线的交点得到曲线上点的坐标。 步骤如下
折射公式为 —2w(c^,玩)]iV=6^—w/巧
其中n为折射率，z'H为入射光线单位向量，o&为出射光线单位向量，力为单位法向
首先将目标平面X轴方向上[O，R]的区间划分为m等分，分别为xd[l]到xd[m],对应于
光线与Z轴的夹角为-[l]到-[m]，可以通过步骤2求出^[l]到^[m]。以沿着z轴正向的光
线为起始光线，假设照射高度为h，透镜自由曲面的中心距离LED的距离为d，则由这两 点的坐标可通过折射公式求出起始点的法向量N[l](Nx[l],Ny[l],Nz[l])。
由法向量和起始点坐标求出切线为z—d=0 ，此为1式；角度为^[2]的直线方程为 Z=cot(^[2])X此为2式；起始点即第l点的坐标为(0， d);
由上面1式和2式所得的两直线相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x[2]，z[2]);
以此类推第m点所对应的直线方程为z=COt[^ [m]]x，所对应的切线方程为 Nx [m-1 ] (x-x[m-1 ])十Nz[m-1 ] (z-z[m-1 ])=0
(4)由第3步可得到曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合可以得到所要曲线，然后 将曲线绕z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。
把通过步骤(3)计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，先选定好旋转轴，然后把 曲线绕轴旋转一周，即得所需要的自由曲面。其特征在于m的取值越大，步骤(3)得到 所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。
本实用新型另外还提供如下技术方案 一种LED格栅灯，包括灯盘，散热器，栅格架， 外插式恒流驱动电源，LED光源及透镜。
LED采用贴片式白光大功率LED， LED通过用高导热胶均匀贴装在散热器底面，在每 个LED上面放置透镜，LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底面的半球凹
5面内，透镜透过硅胶扣在散热器上。每条散热器的俩端有螺孔，与灯盘之间通过螺杆固定， 灯盘的底座根据LED排列位置钻孔，能够让散热器上的LED及其外置的透镜伸到灯盘里 面，在灯盘的底面放置格栅，每一个栅格对应一个LED以及透镜，栅格的侧面为倾斜的梯 形平面，此平面与灯盘底面的夹角为三十度，这样LED的光线经过透镜折射出射后，不会 被栅格的侧面反射，所以栅格只起到防眩光的作用，而没有影响LED灯具的光照均匀性。 格栅的侧面设置弹簧钩，与格栅灯盘的侧面连接。散热器设有若干散热鳍片。
本实用新型具有如下有益效果本实用新型提供一种LED室内灯具所用透镜，通过透 镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域称为一圆形均匀照明面，从而 使LED灯具能符合室内照明的光分布与照度要求；提供一种包含此透镜的LED格栅灯， 其照度均匀性良好，无眩光，对眼睛无伤害。采用所述透镜后，合理控制光线分布使光斑 呈圆形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光，光线柔和，室 内光效给人感觉舒适，可以广泛用于室内家居，或者办公场所照明，是一种绿色、节能、 环保的照明产品。
图l为实施方式中透镜立体图2为求解透镜自由曲面的坐标系原理图3为计算机拟合曲线图4为过透镜中心轴的截面图5为格栅灯中LED、透镜、散热器的安装关系示意图6为单个栅格尺寸示意图7为中栅格架示意图8为格栅灯侧视图9为格栅灯正视图IO为格栅灯后视图ll为格栅灯立体图12为实施方式中格栅灯的光强分布图13为实施方式中照射目标平面的照度分布图14为实施方>式中目标平面上圆形光照区直径方向上的照度值分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施作进一步的详细描述。
室内照明光源易被人眼直视，因此要求其发光面尽可能柔和、均匀、不刺眼；另一方 面，室内照明光源需要有相当的发散角,尤其是室内主光源，其照明范围大,通常发散角要大 于120° 。为实现这些要求同时保证光源光能的充分利用，必须使LED发出的光均匀发散到目标平面上，而且目标区域没有突出的亮点才可以满足应用。这样的话，假设要照射的 目标平面距离灯具为2米，那么它的照射区域至少为半径3.5米的圆形均匀光斑。如图1 与图4所示，透镜包括入射面101及出射面102。所述透镜的底面中部设有一供LED安装 于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面101，构成所述的入射面；透镜的外表面是自由曲 面102，构成出射面。所述透镜采用透光性能非常好的透明材料制成，如PC或PMMA 。 透镜的设计方法如下
建立如图2所示的坐标系，因为透镜最终实现的是在目标平面上的均匀圆形光斑，所 以可知透镜为中心轴对称形状。因此我们只需要求出XZ平面上所对应的曲线201然后将 其绕Z轴旋转一周即可得到所需的曲面。 具体步骤
(1)由能量守恒求出最大照射半径。
2 r丄Pnir = 2;r丄 / cos ^ sin #0
其中P为目标平面205的光照度，R为最大照
射半径，I为LED中心光强，^为LED出射光线与Z轴的夹角。
例如选用cree公司的一款发光通量为1001m，光强分布为朗波分布的芯片，它的中心 光强I为31.8cd,若LED照射到平面上的目标半径为3.5m，则目标平面均匀的光照度为 2.61ux。
(2)通过能量对应关系求出目标平面205上的点与夹角-的关系式。
;r/(1 — cos2 — _P x ;r x jC ;r/(1 - cos2 ;r / 2) x ;r x / 2其中xd为夹角为0的光线经透镜折射后照射到目标平面
205所对应的的点的X轴坐标。
xd = Wl-cos2 0
可以得到
(3)由折射公式求出曲线201上点的法向量，利用这个法向量求得切线202，通过求 切线与入射光线203的交点得到曲线上点的坐标。 步骤如下
折射公式为.[l+"2 — 2"(<^">0]1/2力=0^—"玩
其中n为折射率，^为入射光线单位向量，oW为出射光线单位向量，^为单位法向
首先将目标平面X轴方向上[0，R]的区间划分为m等分，分别为xd[l]到xd[m],对应于光线与Z轴的夹角为^[l]到-[m]，可以通过步骤2求出^[l]到^[m]。以沿着Z轴正向的
光线为起始光线，假设照射高度为h，透镜自由曲面的中心距离LED的距离为d，则由这 两点的坐标可通过折射公式求出起始点的法向量Nlll(Nx[l]，Ny[l],Nz[l])。
由法向量和起始点坐标求出切线为z—d=0 ，此为1式；角度为^[2]的直线方程为
Z=COt(~2])X此为2式；起始点即第l点的坐标为(0, d);
由上面1式和2式所得的两直线相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x[2],z[2]);
以此类推第m点所对应的直线方程为z=cot[-[m]]x,所对应的切线方程为
Nx[m-1 ](x-x[m-1 ])十Nz[m-1 ](z-z[m-1 ])=0 。
例若透镜中心距离目标平面的距离为2.5m， LED距离透镜中心的距离d为0.02m。 将目标半径划分为IOO份，则xd[l]到xd[100]就由0m增至3.5m，单位步长为0.035m，初
始角^[1]为0。。由法向量和起始点坐标可以求出切线为z—0.02-0此为l式； 角度为^[2]的直线方程为z=cot(^[2])x此为2式；由xd[2]-xd[l]+0.035^.035m，可以通过
步骤(2)求出^[2]=0.001。由上面1， 2两式所得的俩直线相交，其交点就是曲线201上
第2点的坐标(x[2],z[2])为(0.000201， 0.02);
(4)由第3步可得到曲线上离散的点坐标，如图3所示，通过计算机拟合可以得到所 要曲线301,然后将曲线绕z轴旋转一周可得到最终的自由曲面102。
把通过步骤3计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，先选定旋转轴，然后把曲线 绕轴旋转一周，即得所需要的自由曲面102。 m的取值越大，步骤(3)得到所述曲线上的 离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。
通过透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域称为一圆形均匀照 明面，从而使LED灯具能符合室内照明的光分布与照度要求。 透镜应用于格栅灯
如图5~图11所示，本实用新型还提供了一种LED格栅灯，包括灯盘503，散热器504， 栅格架505，外插式恒流驱动电源506， LED501光源及透镜502。
如图5与图9，图11所示，LED采用贴片式大功率白光LED501， LED通过用高导热 胶均匀贴装在散热器504底面，LED之间通过电路串联，在每个LED上面放置透镜502， LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底面的半球凹面101内，透镜的结构如 图1 图4所述完全相同，在此不再重复，透镜透过硅胶扣在散热器504上。每条散热器的 俩端有螺孔507，散热器设有若干散热鳍片510，与灯盘503之间通过螺杆固定，灯盘503 的底座根据LED排列位置钻孔508，能够让散热器504上的LED及其外置的透镜伸到灯盘503里面，在灯盘的底面放置栅格架505，每一个栅格对应一个LED以及透镜。
如图6 图7所示，栅格的深度为50mm，栅格的侧面508为倾斜的梯形平面，此平面 与灯盘底面的夹角为三十度，这样LED的光线经过透镜折射出射后，不会被栅格的侧面反 射，所以栅格只起到防眩光的作用，而没有影响LED灯具的光照均匀性。
如图8，图10所示，恒流驱动电源506固定在灯盘底面顶部的俩条散热器之间。 格栅的侧面设置弹簧钩，与格栅灯盘的侧面连接。
图12-14为LED按照如上所述的方式放置了透镜后的光照效果图，图12中的曲线为 在目标平面上的光强分布图，图13表示目标平面上的光分布为圆形斑，图14为圆形斑直 径上的光照度的曲线图，可以看出曲线上端比较平坦，代表均匀性比较好。所以可以看出， 通过采用上述技术方案后，而能合理控制光线分布使光斑呈圆形，并且在照射区域内总透 光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光，光线柔和，室内光效给人感觉舒适，可以广泛 用于室内家居，或者办公场所照明，是一种绿色、节能、环保的照明产品。
9
权利要求1、用于LED格栅灯的透镜，包括灯光入射面、灯光出射面和环形底面，其特征在于透镜的底面中部设有用于容纳LED的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，该半球面为所述灯光入射面；透镜的灯光出射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定所述透镜为中心轴对称形状，所述凹坑的中心轴为透镜的中心轴，以过该透镜中心轴的截面为基准面，建立坐标系，其中，中心轴为Z轴，原点在中心轴且与中心轴垂直的方向为X轴，通过将所述自由曲面在XZ平面上所对应的曲线绕Z轴旋转一周即得到自由曲面的形状；所述曲线通过如下步骤确定(1)由能量守恒求出最大照射半径<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msubsup> <mo>∫</mo> <mn>0</mn> <mi>R</mi></msubsup><mi>Prdr</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msubsup> <mo>∫</mo> <mn>0</mn> <mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup><mi>I</mi><mi>cos</mi><mi></mi><mi>φ</mi><mi>sin</mi><mi>φdφ</mi><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="Y2009200524090002C1.tif" wi="74" he="10" top= "96" left = "28" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中P为目标平面的光照度，R为最大照射半径，I为LED中心光强，φ为LED出射光线与Z轴的夹角；(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与夹角φ的关系式<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mi>πI</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>cos</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>πI</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>cos</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>π</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>P</mi><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><mi>x</mi><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <mrow><mi>P</mi><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="Y2009200524090002C2.tif" wi="62" he="13" top= "133" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中xd为夹角为φ的光线经透镜折射后照射到目标平面所对应的点的X轴坐标，求得<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>xd</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>cos</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>φ</mi></msqrt><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="Y2009200524090002C3.tif" wi="42" he="9" top= "159" left = "32" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>(3)由折射公式求出所述曲线上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，所述折射公式为<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>[</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup><mi>n</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi></mrow><msup> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>o</mi> <mover><mi>u</mi><mo>→</mo> </mover> <mi>t</mi> <mo>·</mo> <mi>i</mi> <mover><mi>n</mi><mo>→</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msup><mover> <mi>N</mi> <mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mi>o</mi><mover> <mi>u</mi> <mo>→</mo></mover><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>ni</mi><mover> <mi>n</mi> <mo>→</mo></mover><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="Y2009200524090002C4.tif" wi="75" he="7" top= "188" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中n为折射率， id="icf0005" file="Y2009200524090002C5.tif" wi="3" he="3" top= "191" left = "176" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>为入射光线单位向量， id="icf0006" file="Y2009200524090002C6.tif" wi="5" he="3" top= "201" left = "55" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>为出射光线单位向量， id="icf0007" file="Y2009200524090002C7.tif" wi="3" he="3" top= "200" left = "105" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>为单位法向量；(4)由步骤(3)得到所述曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合得到所述曲线，然后将所述曲线绕Z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。
2、根据权利要求1所述的透镜，其特征在于步骤(3)中通过求切线与入射光线的交 点得到曲线上点的坐标包括如下步骤首先将目标平面X轴方向上[O，R]的区间划分为m等分，分别为xd[l]到xd[m]，对应于光线与Z轴的夹角为-[l]到-[m]，通过所述步骤(2)求出0[l]到^[m];再以沿着Z轴正向的光线为起始光线，若照射高度为h，自由曲面的中心距离LED的 距离为d，则由这两点的坐标再通过折射公式求出起始点的法向量N[ll(Nx[l]，Ny[l],Nz[l]);由法向量和起始点坐标求出切线为Z — d=0 ，此为1式；角度为^[2]的直线方程为z-cot(-[2])x ，此为2式；起始点即第l点的坐标为(0， d);由1式和2式所得的两直线 相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x[2]，z[2]);依照上述方法，求出第m点所对应的直线方程为z-cot[- [m]]x,所对应的切线方程为 Nx[m-l](x-x[m-l])+Nz[m-l](z-z[m-l])=0;第m点的坐标为(x[m],z[m])。
3、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于m的取值越大，步骤(3)得到所述曲线 上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。
4、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述^的大小为0 ;r/2。
5、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于步骤(4)中把步骤(3)计算出来的离散 点坐标导入三维制图软件，生成所述曲线，选定好旋转轴，把曲线绕轴旋转一周，即得所 述自由曲面。
6、 一种包含权利要求1 5任一项所述透镜的LED格栅灯，包括灯盘、散热器、栅格 架、驱动电源、多个LED和透镜，其特征在于多个LED通过导热胶均匀排列贴装在散热 器底面，每个LED均外套有一透镜，透镜安装散热器底面上，且LED的中心轴与透镜的 中心轴重合，LED置于透镜底部的半球形凹坑内，散热器的两端设有用于安装灯盘的螺孔； 所述灯盘的底座上设有多个灯孔，每个LED及透镜穿过灯孔并伸到灯盘里面，在灯盘的底 面设置格栅架，每一个栅格对应一个LED及其套有的所述透镜。
7、 根据权利要求6所述的LED格栅灯，其特征在于所述栅格的内腔为正四棱台型， 正四棱台的上顶面靠近灯盘的底面。
8、 根据权利要求7所述的LED格栅灯，其特征在于所述正正四棱台的上顶面与灯盘 的底面夹角为30°栅格的深度为50mm。
9、 根据权利要求6所述的LED格栅灯，其特征在于所述LED采用贴片式白光大功率 LED，所述驱动电源采用外插式恒流驱动电源。
专利摘要本实用新型提供了一种LED格栅灯及其使用的透镜，所述透镜的底面中部设有用于容纳LED的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，该半球面为所述灯光入射面；透镜的灯光出射面为自由曲面；所述LED格栅灯包括灯盘、散热器、栅格架、驱动电源、LED和透镜，多个LED贴装在散热器底面，透镜安装散热器底面上，且LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底部的半球形凹坑内，散热器的两端设有用于安装灯盘的螺孔；所述灯盘的底座上设有多个灯孔，每个LED及透镜穿过灯孔并伸到灯盘里面，在灯盘的底面设置格栅架。采用所述透镜后，可合理控制光线分布使光斑呈圆形，且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光。
文档编号F21V11/06GK201401722SQ200920052409
公开日2010年2月10日 申请日期2009年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者张奇辉, 张小凡, 洪 王, 王海宏 申请人:华南理工大学