专利名称：一种用于led光源道路照明的配光透镜的制作方法
—种用于LED光源道路照明的配光透镜技术领域
本发明属于半导体照明技术和应用技术领域，涉及一种用于LED光源道路照明的配光透镜，其目的是将LED光源发出的光线能够限制在一定角度出射，并在路面上形成高均匀度的矩形照明范围。
背景技术：
近年来，随着半导体芯片及封装技术的发展，单颗LED光效得到不断提高，LED在照明领域的应用越来越广泛。与传统光源相比，LED由于具有能耗低，体积小，亮度高，寿命长等优点，从而被广泛的应用于照明领域。但是，由于LED光源的光强分布通常为朗伯型分布，如果直接将其应用于照明，在目标面上将呈现为中心强边缘弱的圆形光斑，所以需要对 LED光源进行配光设计。目前针对LED所进行的透镜设计逐渐成为研究的重点。
针对LED光源道路照明的配光透镜，一般包括传统的光学透镜和自由曲面透镜两种。传统的光学透镜采用诸如柱面镜和球面镜等来改变光线的照明范围，在目标面上实现一个矩形照明区域，但是由于传统的柱面镜和球面镜的自由度有限，不能对光线实现较好的偏折，最终照明效果并不理想。近年来发展起来了自由曲面配光透镜。由于自由曲面本身具有相当高的自由度，这就使得设计者能够通过自由曲面实现复杂的系统设计。另外，相对于传统的光学系统，自由曲面可以使用更少的元件，实现更为优化的结果。因此，自由曲面得到了广泛的利用，并且代表了未来的发展方向。但是目前的LED自由曲面配光透镜一般采用一个自由曲面进行配光。由于自由曲面在计算过程中存在的不能避免的误差以及自由曲面对大角度光线偏折能力的有限，使得单一自由曲面配光透镜也遇到了瓶颈，难以实现高均匀度倾斜照明设计。
鉴于目前自由曲面配光透镜存在的问题和缺陷，本发明吸取了自由曲面配光透镜的特有优势，同时引入内表面非球面，实现内表面和外表面联合调制配光设计，弥补了单一自由曲面对大角度光线偏折能力的不足，同时缓解了外表面自由曲面存在的误差，从而实现高均匀度的倾斜照明。发明内容
针对单一自由曲面透镜配光效果的不理想，本发明旨在采用内外双自由曲面配光透镜的设计。其目的是在提高光能利用率的基础上在目标面上即路面上实现高均匀度的矩形照明效果。
本发明采用的技术方案为一种用于LED光源道路照明的配光透镜，其特征在于， 该透镜包括一个自由曲面外表面，一个自由曲面内表面，和一个底面以及在底面上的两个支柱，其中，
该两个支柱用于对整个透镜的固定与定位作用；
所述的外表面是光线的出射面，对光线进行偏折，实现对光线的最终调制，其应该使得光线能够在照明面即路面上形成一个轮廓较为明显的矩形区域，尽量减少光线照射到目标区域以外，提高能量利用率；
所述的内表面是光线的入射面，对LED光源发出的光线进行初始角度调制；通过内表面的初始调制，弥补外表面自由曲面对大角度光线偏折的不足，与外表面联合调制配光，实现高均匀度的道路照明。
进一步的，所述透镜应用于道路倾斜灯具照明之中，根据国家对路灯倾斜照明灯具的角度要求，此透镜应用于15°倾斜灯具照明之中。
进一步的，所述透镜由PMMA为材料加工制成，成本低廉的同时加工工艺比较成熟。
进一步的，所述的透镜底部有一空间，用来放置LED芯片。
本发明与现有技术相比的优点在于
( I)、本发明引入内表面自由曲面，与外表面自由曲面联合调制配光，实现高均匀度的配光效果，并有效提高能量利用率。
(2)、本发明透镜整个设计过程简单，最终得到的透镜效果理想，外形美观。
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图具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
一种用于LED光源道路照明的配光透镜，透镜包括一个自由曲面外表面，一个自由曲面内表面，一个底面和两个支柱。其中，支柱主要起到对整个透镜的固定作用，此外也考虑到整体的对称与美观。外表面是光线的出射面，实现对光线的最终调制，其应该使得光线能够在照明面即路面上形成一个轮廓较为明显的矩形区域，尽量减少光线照射到目标区域以外，提高能量利用率。内表面是光线的入射面，对光线进行初始调制；通过内表面的初始调制，弥补外表面自由曲面对大角度光线偏折的不足，与外表面联合调制配光，实现高均匀度的道路照明。此种透镜外形美观，配光效果理想，能够实现均高达70%的均匀照明，其中，
I、所述的配光透镜针对的是近似朗伯体的光源，实现倾斜15度，30mX 12m的矩形光斑。透镜在应用过程中，和照明面的倾斜角为15度。
2、所述配光透镜的外表面为自由曲面，通过设计使得光线能够在照明面上形成一个具有矩形轮廓的照明区域。自由曲面的设计采用能量对应关系和矢量光学的相关原理进行计算设计得到面型数据，从而构建自由曲面外表面，透镜的内表面也为自由曲面，通过光线追迹设计得到内表面自由曲面的数据从而构建自由曲面内表面。
3、所述透镜的两侧面进行了切除，既提高率能量利用率，同时使得加工更加容易。 透镜的底面有两个支柱。支柱形状为圆柱形，其直径为2. Omm,高度为I. 5mm,主要是起到对4透镜整体的固定。考虑到配光透镜的安装和固定需要有较高的精度，引入支柱，在保证固定精度的同时保证了透镜的固定牢固。
4、所述透镜的底部有一个孔洞，专门用来放置LED芯片，其内部尺寸大于LED芯片的尺寸，使得LED芯片能够放置其中。在透镜外部俯视观察，能够看到一个心形。
5、所述透镜选取的材料为光学级PMMA，其透光率在90%以上，同时热变形温度在 700C以上。在保证透光率和耐用性的基础上，降低加工成本。
实施例
采用Cree-XP-ELED芯片作为光源，针对长度30m，道路宽度12m，路灯高度10m，灯杆倾斜角度15度的路灯配光透镜进行说明。本发明的主要思路就是，通过光线对应关系设计计算得到自由曲面外表面，然后根据外表面自由曲面对光线偏折的误差，建立内表面自由曲面和光线之间的对应关系，从而求得自由曲面内表面。然后将自由曲面内表面与自由曲面外表面组合设计得到透镜实体。
本发明所述的LED路灯倾斜照明透镜其侧面剖视图如图I所示，其底视图如图2 所示，透镜实体为1，其材料采用PMMA，对可见光的折射率为n=l. 4935。LED光源被放置在空间2中。光线自LED芯片发射出来以后，照射到自由曲面内表面3上，然后通过自由曲面 3的折射进入透镜I中，然后再经过自由曲面外表面4的折射，射出透镜。透镜底部为平面 5，在底面上有两个圆柱形支柱6、7，主要起到固定透镜的作用。
本发明所示透镜的安装示意图如图4所示。图中(21)为路灯灯杆高度，本发明实施例中为10m，(22)为灯杆突出的高度，本发明实施例中为0m，(23)为灯的倾斜角度，本发明实施例中为15度。(24)为灯杆悬臂的长度，本发明实施例中为I. 5m。
本发明所示透镜最终在目标面上的照明效果通过光线追迹软件Lighttools仿真计算，结果如图5所示，本发明实施例中在目标面上形成一个轮廓明星，照度均匀度打到 70%的矩形照明区域。
本发明采用双自由曲面联合调制配光，解决了单一自由曲面配光均匀度不高的缺点，实现了 LED在道路倾斜照明中高均匀度的照明应用。
尽管对本发明进行了详细描述，但是可以知道的是，本文不应该理解为对本新型 LED配光透镜的限制，任何同等的替换或者改变都应该属于本发明保护范围。
权利要求
1.一种用于LED光源道路照明的配光透镜，其特征在于，该透镜包括一个自由曲面外表面，一个自由曲面内表面，和一个底面以及在底面上的两个支柱，其中， 该两个支柱用于对整个透镜的固定与定位作用； 所述的外表面是光线的出射面，对光线进行偏折，实现对光线的最终调制，其应该使得光线能够在照明面即路面上形成一个轮廓较为明显的矩形区域，尽量减少光线照射到目标区域以外，提高能量利用率； 所述的内表面是光线的入射面，对LED光源发出的光线进行初始角度调制；通过内表面的初始调制，弥补外表面自由曲面对大角度光线偏折的不足，与外表面联合调制配光，实现高均匀度的道路照明。
2.根据权利要求I所述的一种用于LED光源道路照明的配光透镜，其特征在于，所述透镜应用于道路倾斜灯具照明之中，根据国家对路灯倾斜照明灯具的角度要求，此透镜应用于15°倾斜灯具照明之中。
3.根据权利要求I所述的一种用于LED光源道路照明的配光透镜，其特征在于，所述透镜由PMMA为材料加工制成，成本低廉的同时加工工艺比较成熟。
4.根据权利要求I所述的一种用于LED光源道路照明的配光透镜，其特征在于，所述的透镜底部有一空间，用来放置LED芯片。
全文摘要
本发明提供一种用于LED光源道路照明的配光透镜，该透镜包括一个自由曲面外表面，一个自由曲面内表面，一个底面和两个支柱。其中，支柱主要起到对整个透镜的固定与定位作用，外表面是光线的出射面，实现对光线的最终调制，其应该使得光线能够在照明面即路面上形成一个轮廓较为明显的矩形区域，尽量减少光线照射到目标区域以外，提高能量利用率。内表面是光线的入射面，对光线进行初始调制；通过内表面的初始调制，弥补外表面自由曲面对大角度光线偏折的不足，与外表面联合调制配光，提高光能利用率，同时实现高均匀度的道路照明。本发明应用于路灯倾斜15°照明灯具之中，此种透镜外形美观，配光效果理想，能够实现均高达70%的照明均匀度。
文档编号F21V5/04GK102980135SQ20121043117
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者王仲勋, 吴钦章, 尹韶云, 孙秀辉, 杜春雷, 邓启凌 申请人:中国科学院光电技术研究所