专利名称：一种led路灯二次光学透镜及其设计方法
技术领域：
本发明涉及LED照明应用领域，特别涉及一种LED路灯二次光学透镜及其设计方法。
背景技术：
随着节能减排，绿色环保的发展趋势，LED (Light Emitting Diodes,发光二极管) 以其节能环保、发光效率高、寿命长、显色指数高等优点，得到越来越广泛的应用，LED作为 一种新型的固体光源，在城市道路照明光源方面大有取代传统路灯光源(高压钠灯、高压 汞灯及金卤灯等)的趋势。然而，LED路灯的发光是由单一的LED光源(完成一次封装的LED芯片)组合而 成，由于一般应用于路灯的LED光源属于朗伯光源，发光方向性强，在距离路面一定高度且 垂直于路面发光时，只能在路面上形成一个较小的圆形光斑，亮度由圆心向外急剧降低，光 照均勻性低，因此需要加以二次光学设计，使其在路面上形成一个接近矩形的较大的均勻 光斑，因为只有矩形光斑才能在路面上实现无缝连接，均勻照满整条道路，达到最佳照明效^ o选用透镜进行二次光学设计是最直接有效的方法，但是现有技术往往只进行透镜 的外表面设计，而忽视了透镜基面中央用于放置LED光源的凹面(内表面)的设计。只针对 外表面的透镜设计限制了透镜对LED发出光方向和光斑形状的改善，不能很好地控制出射 光线的分布，从而使得照射到路面上形成的光斑形状不接近理想的矩形，而且均勻性不佳。现有技术的第二个不足是没有考虑到实际道路应用时路灯安装在道路一侧的边 缘，而非道路中央，采用对称设计的现有技术便不能在这种场合发挥作用，因为现有技术在 路面形成的光斑是相对路灯安装位置前后、左右分别对称的，而路灯处于道路边缘，这样必 然会有很大一部分光照射在路面之外，造成光能的浪费，降低了光效。而仅仅通过路灯头倾 斜放置不但不能完善的解决这个问题，还造成路面光斑形状的变形，由矩形改变成了梯形， 使得照明均勻度下降。因此，有必要提供一种改良的LED路灯二次光学透镜及其基于内表面设计的透镜 构造设计方法，以便克服现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，并且提供一种照明效果很好的，能 够支持多数路灯安装方式的一种LED路灯二次光学透镜及其基于内表面设计的透镜构造 设计方法。一种LED路灯二次光学透镜，其特征在于具有一外表面，一基面和一内表面，三者共同界定出所述透镜的整体构造；所述外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；所述基面为一平面，基面与所述外表面相交，形成基面的边界线；
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所述内表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道 路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成；所述内表面相对于一条垂直于所述基面且通过基面中心的法线前后、左右分别对 称；所述外表面存在一个通过所述外表面的两个局部椭球面的椭球中心连线的对称 面，该对称面与基面的夹角为60° 90°。所述的一种LED路灯二次光学透镜设计方法分为以下几个步骤第一步、根据LED朗伯光源的发光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初 始条件，依据折射定律和能量守恒定律，先假定LED光源为点光源，所述透镜内表面为半球 形内凹，光源位于内表面球心处，然后利用能量守恒原理和折射定律可以简单的计算出所 述二次光学透镜的外表面为典型的类似双球型的高次自由曲面，由于考虑到高次自由曲面 的工程实现难度，将其简化为所述的外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成。第二步、因为在上述计算外表面形状时用到了点光源等近似方法，而实际LED光 源为体光源，所以需要对计算得出的所述透镜的整体构造进行一些修改，特别是透镜内表 面的形状，方案是确定所述外表面形状不变，通过修改所述内表面形状使透镜能达到出光 均勻分布的要求以及调控光斑大小、形状。具体方法为(见图9软件流程图)(1)、始终确定透镜的外表面形状为由两个局部椭球面及其之间的过度面组成，这 是本发明进行内表面修改的基础，因为这种形状的外表面基本保证了路面上能形成近矩形 的光斑，剩下的优化工作是通过修改内表面形状改善均勻度以及根据实际要求调控光斑大 小和形状；(2)、根据道路照明的实际要求，例如对照明区域面积大小的要求等，确定大致的 内表面沿道路方向和垂直于道路方向两个方向上的截面轮廓线的曲率半径值的范围；(3)、在上述范围内选定任意两个值，利用市场上已有的建模软件建立内表面3D 模型；(4)、将上述模型导入到市场上已有的光学设计软件中，并与已确定的外表面模型 组合成为透镜模型进行光线追迹，并分析测试得到的结果；(5)、根据上述测试结果，修改选定的曲率半径值，根据修改后的值再次建立内表 面3D模型，然后重复循环(4)、(5)步，直至修改得到的内表面组成的透镜的模拟结果满足 上述实际要求。由于上述一次循环可在短时间内完成，所以能在不花费很多时间的条件下， 重复进行大量的循环模拟过程，从而得到合适的透镜内表面形状。对于不同的道路照明实际要求，内表面的形状也相应的不同。一般而言，所述内表 面是由非半球形的，在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不 相同的特殊曲面内凹形成，不同方向上曲率半径的不同导致各方向上出射光分布的不同， 从而在路面上形成的光斑大小也不同。第三步、将所述内、外表面和基面简单组合在一起，三者共同界定出所述透镜的整 体构造。本发明的优点在于利用上述LED路灯二次光学透镜，通过选用不同的特殊设计 的内表面，调控在路面上形成的光斑大小、形状，满足不同道路照明区域的实际需求，在路
4面上照射形成亮度较为均勻的矩形光斑，覆盖所有照明要求的区域，并能有效减少照明要 求区域之外的无用光分布，提高光能利用率，节约能源；而且，采用独特的可调非对称设计， 使得在不同的道路路灯安装条件下，都可以满足上述优点。通过所述的基于内表面设计的 透镜构造设计方法得到的LED 二次光学透镜不但可以满足道路照明标准，还可以通过修改 所述内表面形状，调控在路面上形成的光斑大小、形状，满足不同道路照明区域的实际需 求。
图1是本发明一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例从顶部观察的立体图；图2是图1所示一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例从底部观察的立体图；图3是图1所示一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例的俯视图；图4是图3所示A-A面剖视图；图5是图3所示B-B面剖视图；图6是本发明一种LED路灯二次光学透镜第二个实施例从顶部观察的立体图；图7是本发明一种LED路灯二次光学透镜第三个实施例的侧视图；图8是本发明一种LED路灯二次光学透镜第三个实施例的极坐标配光曲线图；图9是本发明一种LED路灯二次光学透镜的内表面设计流程图。图中具体标号如下10、11、光学透镜 20、21、外表面 201、202、局部椭球面203、过度面30、基面40、41、内表面
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。实施例一 参考图1至图5，本发明提供的一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例具有一外 表面20、一基面30和一内表面40，三者共同界定出所述透镜第一个实施例的整体构造10 ；所述外表面20由两个局部椭球面201、202及其之间的过度面203组成；所述基面30为一平面，基面30与所述外表面20相交，形成基面的边界线；所述内表面40位于所述基面30的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直 于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成，此处第一个实施例 由形状类似外表面较小的两个局部椭球面及其之间的过度面内凹形成，其在沿道路延伸方 向和垂直于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同；所述内表面40的两局部椭球面的椭球中心连线方向垂直于所述外表面20的两局 部椭球面的椭球中心连线方向；所述内表面40相对于一条垂直于所述基面30且通过基面30中心的法线前后、左 右分别对称；所述外表面20存在一个通过所述外表面20椭球中心连线的对称面(图3所示 A-A面)，该对称面与基面30的夹角为60° 90°，图1至图5所示为本发明的第一个实 施例，该实施例的所述外表面20对称面与基面30夹角为90°，光源透过此实例的出射光分
5布相对所述外表面20对称面对称，在路面上形成的光斑也相对于路灯安装位置前后、左右 分别对称。实施例二 参考图6所示，本发明的第二个实施例的外表面20与本发明第一个实施例的外表 面20相同，均由两个局部椭球面及其之间的过度面组成，但第二个实施例的内表面41不同 于第一个实施例的内表面40。参考图9流程图所示，假设第二实施例对应的道路照明要求为矩形照明区域的 长宽比比较大，即路面的宽度较小，长度较大。固定内表面顶点的高度，若某方向截面轮廓 线曲率半径大于该高度值，则透镜会使该方向上的光发散角度减小；反之，若小于高度值， 则会增大该方向上的光发散角。所以先确定透镜内表面沿道路延伸方向的曲率半径Pi和垂直道路延伸方向的曲 率半径P2的取值范围是Pi<h< P2，其中h为上述固定的高度值。然后，从该取值范围中任意选取P2的初始值，并以此在建模软件中建立对 应的内表面3D模型。再将其导入至光学设计软件中，并与外表面模型组合成透镜模型，进行光线追迹， 得到模拟测试结果。分析该结果是否满足设计初假定的道路照明各种要求，例如光斑是否能覆盖住满 要求的被照明区域，漏射在路面之外的无用光是否太多等，若不满足，则修改口工和口2的 值，接着重复建模和光线追迹的步骤，直至基本满足设计要求。经过大量的循环模拟过程，最终确定第二实施例的透镜内表面由一个半椭球面内 凹形成，所述半椭球面沿道路延伸方向为短轴方向，垂直道路延伸方向为长轴方向，所述长 轴方向的曲率半径P2大于短轴方向的曲率半径Pi，且Pi、P2的具体值利用上述方法根 据照明实际要求特殊确定。所述长轴方向垂直于所述外表面的两局部椭球面的椭球中心连 线方向；所述内表面41相对过所述基面30中心，垂直于基面30的法线前后、左右分别对 称；所述外表面20对称面与基面30夹角为90° ；所述外表面20、基面30和内表面41三者共同界定出所述透镜第二个实施例的整 体构造11。实施例三参考图7所示，本发明的第三个实施例的所述外表面21对称面与基面30夹角为 75°参考图8所示，图中0° (实线)曲线为沿道路延伸方向的配光曲线，90° (虚线)为 垂直于道路延伸方向的配光曲线。由上述90°配光曲线所示，该第三实例的出射光沿垂直 于道路延伸方向相对于路灯安装位置(图6中极坐标0轴)并不对称，绝大部分光只分布 在一侧，这正好适合一些安装在道路一侧边缘或者路灯头倾斜安装的路灯，因为对于这种 安装条件，不对称的光分布才能有效减少照射在照明要求之外的无效光分布，提高光能利 用率，节约能源。LED光源放置在所述基面30的中央，所述LED光源发光部分完全伸入由所述内表 面形成的内凹区域，所述LED光源底部平面放置与所述基面30平行。LED光源发出的光线经过所述内表面和外表面20共同的折射、反射作用，由所述 透镜出射至路面，在路面上形成亮度较为均勻的矩形光斑，覆盖整个照明要求区域，有效减少照明要求区域之外的无用光分布，提高光能利用率，节约能源。所述一种LED路灯二次光学透镜采用光学级材料PC或PMMA注塑成型。以上所揭露的仅是本发明的三个优选实施例，本发明的涵盖范围远远大于上述三 个实施例。本发明根据实际道路照明要求选用不同的内表面，所述内表面由非半球形的，在 沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹 形成，不同方向上曲率半径的不同导致各方向上出射光分布的不同，从而在路面上形成的 光斑大小也不同。所以，通过选用不同的特殊设计的内表面可以对路面上形成的光斑大小、 形状进行调控，在达到道路照明标准的前提下，以满足不同路面照明面积的实际需求。本发明还可以根据实际道路应用条件，调整所述外表面20的对称面与基面30的 夹角大小，从而简单方便的得到适合各种安装条件的路灯用LED路灯二次光学透镜。
权利要求
一种LED路灯二次光学透镜，其特征在于该透镜具有一外表面，一基面和一内表面，三者共同界定出所述透镜的整体构造；所述外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；所述基面为一平面，基面与所述外表面相交，形成基面的边界线；所述内表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成；所述内表面相对于一条垂直于所述基面且通过基面中心的法线前后、左右分别对称；所述外表面存在一个通过所述外表面的两个局部椭球面的椭球中心连线的对称面，该对称面与基面的夹角为60°～90°。
2.—种LED路灯二次光学透镜设计方法，其特征在于该方法包括以下几个步骤 第一步根据LED朗伯光源的发光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初始条件，依据折射定律和能量守恒定律，先假定LED光源为点光源，所述透镜内表面为半球形内 凹，光源位于内表面球心处，然后利用能量守恒原理和折射定律可以简单的计算出所述二 次光学透镜的外表面为典型的类似双球型的高次自由曲面，由于考虑到高次自由曲面的工 程实现难度，将其简化为所述的外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；第二步对第一步计算得出的所述透镜的整体构造进行修改，特别是透镜内表面的形 状，方案是确定所述外表面形状不变，通过修改所述内表面形状使透镜能达到出光均勻分 布的要求以及调控光斑大小、形状；第三步将所述内、外表面和基面简单组合在一起，三者共同界定出所述透镜的整体构造。
全文摘要
本发明涉及一种LED路灯二次光学透镜，该透镜具有一外表面，一基面和一内表面，三者共同界定出所述透镜的整体构造；所述外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；所述基面为一平面，基面与所述外表面相交，形成基面的边界线；所述内表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成；所述内表面相对于一条垂直于所述基面且通过基面中心的法线前后、左右分别对称；所述外表面存在一个通过所述外表面的两个局部椭球面的椭球中心连线的对称面，该对称面与基面的夹角为60°～90°。
文档编号F21Y101/02GK101858557SQ201010205870
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者朱放, 肖志松, 邓思盛, 郑晓虎, 黄安平 申请人:北京航空航天大学