专利名称：自由曲面透镜配光的大功率led灯头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自由曲面透镜，以及包含该自由曲面透镜的自由曲面 配光的大功率LED灯头。
背景技术：
随着发光二极管(简称LED)技术的快速发展，LED在照明领域的 应用日益受到半导体界和照明界的关注。国外LED应用产品近年来发展 迅速，主要应用领域包括手机背光源、显示屏幕、汽车照明、建筑装饰照 明、信号照明等。大功率LED己被大量用于汽车照明中，汽车照明约占 LED市场的18%左右。信号照明是LED单色光应用比较广也比较早的一 个领±或，约占LED应用市场的4n/。左右。LED照明的特点低耗电量、寿命 长、彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围，且单色性好，色彩纯度 高，LED的光效远高于白炽灯。上世纪90年代末期，LED的高并行化、 超高亮度和全色化使其应用领域也日趋广泛，逐步走向室内外照明领域。
由于LED特殊的发光原理，使其在达到同等亮度情况下所需消耗的 能量远远低于普通白炽灯，随着关键技术的进一步突破，白光LED的光 效有可能达到150-200 lm/W，大大超越现在所有照明光源的光效，在照明 方面有着诱人的前景。相对于传统的电光源产品。LED的能耗较低，是一 种节能光源，LED技术在照明应用领域的突破给高效照明家族又增添了新 的力量。采用LED有很多优点，可靠性高、减少维护、无污染、所需电 源简单、容易控制、寿命长，而且节省能源。
普通LED外形尺寸只有5mm，由于单个LED功率小，发光强度不够， 若将若干个LED灵活地组合，并采用聚光的方法可以提高发光强度。现 在世界各国的科研人员正在努力突破高亮度需求与相对低的光通量、低成 本的矛盾等技术难关，特别是如何提高LED在普通照明领域的应用时的 光通量，使LED为照明节电提供更广阔的拓展空间。目前所采用的路灯大多采用高低压钠灯或卤素灯作为各种灯例如路 灯的光源，但是，其存在能耗比较大、使用寿命较短以及在低温情况下不
容易启动等不足之处，在LED技术广泛应用的情况下，老式路灯有被LED 路灯替代的趋势。
由于LED路灯的使用，促使了本领域相关技术人员对与LED路灯配 套使用的路灯灯头的改进。图1是目前常规LED路灯的侧视图，从图可 见，该路灯灯头上的LED简单排列，这种灯受LED照射角度e的限制， 灯头的照射角度仅为(3，常常难以满足路灯照明设计要求。CN2842182Y 公开了一种LED路灯，如图2所示，其包括LED、安放板和灯头，安放 板和灯头固定在一起，LED是密集安装在安放板上，安放板中部为平面板， 周边向LED的安装面反方向翘起形成夹角，使LED的安装面呈凸起状， 这种设计可有适度地增加照射角度|3。以上图1和图2两种方案仅简单从 机械设计的角度来提高照射角，在设计、安装以及使用场合适应性上具有 明显局限性。CN2896006Y公开了一种高亮度LED路灯的灯头，如图3 所示，其包括灯壳、LED光源、拱形支架、散热条，LED光源上分别设 置有透镜支架，各透镜支架内放置有透镜，且透镜的底部透过透镜支架套 住高亮度LED光源的发光头。这种路灯灯头通过机械的拱形支架设计和 光学的透镜设计可以更好地适应各种道路照明。但是，上述现有LED路 灯主要是通过简单的LED阵列式排列、或采用改变LED安装基板的轮廓 来改善LED的利用效果、或采用透镜进行简单的光学配光来满足国家标 准，在光学效率方面的考虑都仅限于一般的改善，而且很多都难以满足路 灯的国家标准，这些LED灯头难以满足根据不同适用场合灵活、高效地 进行配光的基本要求，事实上，在配光方面，透镜的折射面及全反射面的 面型对光学效率的影响很大，如果不进行光学配光来优化出最佳的自由曲 面，光学效率是不会很高的。
因此，提供一种可以灵活、高效地进行配光的LED灯头，特别是路 灯灯头，以满足不同适用场合，仍是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有的LED灯头在不同使用场
5合配光不灵活、效率不高的缺点。为了解决上述问题，本发明第一方面提 供了一种具有自由曲面的透镜。本发明第二方面提供了采用所述透镜制作
的LED灯头。
实现本发明的技术基础是LED技术、自由曲面加工检测技术和透镜 注塑成型技术的发展。在这些技术基础上，本发明从整体上采用了专用的 或者通用的光学软件来建立LED光源的模型，建立具有自由曲面面型的 光学透镜模型来优化配光，通过光学软件的优化来优化出最佳的自由曲面 面型，具有该自由曲面面型的透镜可以提高光的透过率和LED组成的路 灯的光光转换效率，从而进一步节省能源，改善了 LED透镜单元之间光 照度叠加不均匀的状况，改善各个路灯间衔接中的光强均匀的问题。在以 上技术和思路的基础上，本发明人实现了所要求的光学配光需求，有利于 光学设计配光来满足路灯的国家标准，经过优化配出来的光更具均匀性。
一方面，本发明提供的透镜，其特征是，其包括由透明材质形成基本 呈碗体结构的本体，本体底部向内凹陷形成可容置LED的光源区，围绕 所述光源区的本体表面为折射面，所述本体的外周为可反射光线的全反射 面，所述本体上部为光线的出射面；所述光源区发出的光源穿过折射面进 入本体后，光线直接穿过出射面和/或光线经全反射面反射后再次进入本 体进而穿过出射面。
根据本发明透镜的进一步构思，优选地，所述本体在从中轴线剖切后， 所述折射面基本呈M形。更优选地，所述本体在从中轴线剖切后，所述 M形的上部呈平滑的V形。当然，根据不同适用场合，折射面还可以为 半圆形、门框形等。
根据本发明透镜的进一步构思，优选地，所述出射面向本体内凹陷。 更优选地，所述本体在从中轴线剖切后，所述出射面向本体内凹陷呈弧形。 当然，根据不同适用场合，出射面也可以是水平面或者向上凸起，只要能 满足使用场合的具体需要。
根据本发明透镜的进一步构思，优选地，在本体上部为多个阵列排列 并向内凹陷呈弧形的出射面。更优选地，所述阵列排列的出射面包括的弧 形凹陷为4、 9、 16、 25或36个。本领域技术人员理解，更特别的弧形凹 陷阵列也包括在本发明的范围内，例如2个以上任何数目的弧形凹陷构成的阵列，只要使用场合需要，通过注塑成型工艺即可制造出来。根据本发明透镜的进一步构思，优选地，所述折射面、全反射面、出 射面、或者这上述三个面的任意组合为自由曲面。所述的"自由曲面"是本 领域技术人员公知的，并且通常理解为任何可以或者不可以用数学公式表 达的曲面。本发明透镜的折射面、全反射面和出射面组合所形成的总体自 由曲面可根据出射光的光线方向需要而容易地改变，而光线方面取决于具 体的使用场合，例如，高速公路路灯、乡间公路路灯、广场灯等的光线射 向要求是不同的，这些差异可通过适当地改变透镜的注塑模具即可实现， 还不需要在复杂的路灯安装场合来调节。根据本发明透镜的进一步构思，优选地，所述的本体还可以包括一个或多个支腿。该支腿可以方便地将透镜与LED固定安装，或者可以方便 地将透镜安装在LED灯头的安装板上。根据本发明透镜的进一步构思，所述本体的材质可以为任何透光的材 质，优选是可以通过注塑成型工艺制造透镜的材质；更优选地，所述本体 的材质为亚克力(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。另一方面，本发明提供的LED灯头，其由一个或多个发光单元构成， 所述发光单元包括本发明第一方面提供的任意一种透镜本体；LED底座，其设置于透镜本体的下部；LED芯，其设置于LED底座上，并且其发出的光源容置于所述透镜 本体的光源区内；LED电源导入部，其设置于LED底座上。根据本发明LED灯头的进一步构思，优选地，所述的发光单元呈阵 列排列。根据本发明LED灯头的进一步构思，所述的阵列排列为多排，每排 由多个发光单元排列组成。更优选地，所述的阵列排列为1~10排，每排 由2~40个发光单元排列组成。根据本发明LED灯头的进一步构思，所述的阵列排列的各排相互组 合形成圆弧形，每排由多个发光单元排列组成。优选地，所述的阵列排列 为6排并且各排相互组合形成圆弧形，每排由8 20个发光单元排列组成。根据本发明LED灯头的进一步构思，优选地，所述的LED底座为铝 材。铝质材料的优点是密度小并且散热效果好。本发明的有益效果是，可以根据不同道路要求来特别设计出具有自由 曲面特征的透镜，对这种特别设计的透镜，设计人员可以结合光学软件进 行光学优化配光，从而得到满足国家标准的最佳的配光效果。另外还可以 有效提高光学系统的光-光转换效率，从节省能源角度让LED的节能优势 更进一步地得到发挥，同时，由于现有的自由曲面技术的成熟发展及注塑 成型技术的支持，在LED路灯中采用优化配光的自由曲面面型的LED透 镜技术可以在满足配光的情况下灵活采用多种组合结构，无论是设计效率 还是制作效率都会得到提高。
图1是目前常规LED路灯灯头的侧视图。图2是另一种已知的LED路灯灯头的侧视图。图3是另一种己知的LED路灯灯头的侧视图。图4是本发明LED灯头的发光单元经折解后的剖视图。图5是图4所示发光单元的工作原理图。图6是具有多个阵列排列出射面(9个出射面)的发光单元的立体示意图。图7是本发明采用单个出射面透镜的发光单元经阵列组合(每排12个 发光单元x6排)的LED灯头的远场光线分布示意图。 图8是图7所示LED灯头的剖面示意图。图9是本发明采用9个出射面阵列透镜的发光单元经阵列组合(每排 12个发光单元x6排)的LED灯头立体示意图。图10是本发明采用9个出射面阵列透镜的发光单元经阵列组合(每排 12个发光单元x6排)的LED灯头的远场光线分布示意图。图11是图7所示LED灯头的光学配光图。图12是图7所示LED灯头的在8米远处得到的照度图。图13是图7所示LED灯头的照度分布的表图。其中，主要附图符号说明如下1、 本体2、 光源区3、 折射面4、 全反射面5、 出射面6、 支腿10、 发光单元11、 LED芯12、 光源13、 LED底座14、 LED电源导入部具体实施方式
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合图4至图14对本发明 的优选实施例进行详细说明，然而所述实施例仅为提供说明与解释之用， 不能用来限制本发明的专利保护范围。如图4所示，上部的碗状结构为本发明提供的透镜。该透镜由透明材 质形成基本呈碗体结构的本体l，本体底部向内凹陷形成可容置LED的光 源区2，围绕所述光源区2的本体1表面为折射面3，所述本体1的外周 为可反射光线的全反射面4，所述本体上部为光线的出射面5;再结合图 5，其中说明了本发明透镜的工作原理，其中位于光源区2中的LED芯11 发出的光源12穿过折射面3进入本体1后，部分光线直接穿过出射面5， 部分光线经全反射面4反射后再次进入本体进而穿过出射面5。从图可见， 原本发散角较大的光源通过本发明透镜后，光线定向集中；本领域技术人 员清楚，通过在设计透镜时改变折射面3、全反射面4、出射面5或者这 三个面的任意组合所构成的自由曲面的参数，可以在工业化大生产阶段非 常容易地根据适用场合的需要而改变光线集中方向和/或角度，大大简化 LED路灯在施工现场安装过程中的复杂性。另外，图4所示透镜的本体1 在从中轴线剖切后，所述折射面3基本呈M形。再一方面，出射面5向 本体1内凹陷，并且如图4所示，透镜的本体l在从中轴线剖切后，所述出射面5向本体1内凹陷呈弧形。如图6所示，其中上部带四个支腿6的部件为本发明另一实施例的透 镜，这种透镜与第一实施例的透镜的区别是出射面5的不同设计，即在本 体l上部为多个阵列排列并向内凹陷呈弧形的出射面5，图中示出了由九 个出射面5阵列构成的透镜。本发明第二方面提供了LED灯头，这种LED灯头包括基本构件，即 发光单元IO。结合图4、 5、 6和8说明，发光单元10包括(i)本发明的 透镜本体l(有单个出射面(图4、 5、 8)或九个阵列排列的出射面(图6)); (ii)LED底座13，其设置于透镜本体1的下部；(iii)LED芯ll，其设置于 LED底座13上，并且其发出的光源12容置于所述透镜本体的光源区2 内；(iv)LED电源导入部14，其设置于LED底座13上。由具有多个阵列 排列出射面的透镜构成的发光单元可提供更丰富的光线发散方向。LED底 座13采用铝材，不但便于固定，而且有利于LED散热。具体说明本发明提供的LED灯头，如图7、 8所示，其分别为本发明 采用单个出射面透镜的发光单元经阵列组合(每排12个发光单元x6排)的 LED灯头的远场光线分布示意图和该LED灯头的剖面示意图。如图8， 本发明的LED灯头的第一实施例是，其发光单元10采用图4、 5所示结 构，发光单元10呈12x6的阵列排列，即阵列排列为6排并且各排相互组 合形成圆弧形，每排由12个发光单元10排列组成。本发明LED灯头的第二实施如图9、 IO所示，其分别为本发明采用9 个出射面阵列透镜的发光单元经阵列组合(每排12个发光单元x6排)的 LED灯头立体示意图，和本发明采用9个出射面阵列透镜的发光单元经阵 列组合(每排12个发光单元x6排)的LED灯头的远场光线分布示意图。本 实施例的发光单元IO采用图6所示结构，发光单元10呈12x6的阵列排 列，即阵列排列为6排并且各排相互组合形成圆弧形，每排由12个发光 单元10排列组成。比较图7和图10，与图7的第一实施例LED灯头采用 单个出射面透镜的发光单元相比，由于图IO的第二实施例LED灯头采用 了9个出射面阵列透镜的发光单元，其发出的光线更比丰富。以图7所示第一实施例LED灯头说明本发明的有益效果。图11是图 7所示LED灯头的光学配光图，其中示出了光斑呈长方形，LED灯头的圆弧形轴向与图ll所示Y轴一致，这种长方形的效果特别适用于道路照 明，理由是通过透镜和LED灯头的设计，使长方形光斑的短径与道路 宽度相符，这样道路之外不会形成不需要的光照，从而节约了能源，同时 还可避免道路两侧不需要光照的区域出现眩光的现象；另外，圆弧形LED 灯头使长方形光斑的长径增加，从而可以减少道路上照明的盲区，也可相 应地减少道路上的路灯安装，从而节约能源。图12是图7所示LED灯头 的在8米远处得到的照度图，图13是图7所示LED灯头的照度分布的表 图，这两个图分别以具体数据说明图11的长方形光斑的形成原理。以上所述的仅为本发明的较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制 本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的 等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种透镜，其特征在于，其包括由透明材质形成基本呈碗体结构的本体(1)，本体底部向内凹陷形成可容置LED的光源区(2)，围绕所述光源区(2)的本体(1)表面为折射面(3)，所述本体(1)的外周为可反射光线的全反射面(4)，所述本体上部为光线的出射面(5)；所述光源区(2)发出的光源穿过折射面(3)进入本体(1)后，光线直接穿过出射面(5)和/或光线经全反射面(4)反射后再次进入本体进而穿过出射面(5)。
2、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述本体(l)在从中轴 线剖切后，所述折射面(3)基本呈M形。
3、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述出射面(5)向本体 (l)内凹陷。
4、 根据权利要求3所述的透镜，其特征在于，所述本体(l)在从中轴 线剖切后，所述出射面(5)向本体(1)内凹陷呈弧形。
5、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述本体(l)上部为多 个阵列排列并向内凹陷呈弧形的出射面(5)。
6、 根据权利要求5所述的透镜，其特征在于，所述阵列排列的出射 面(5)包括的弧形凹陷为4、 9、 16、 25或36个。
7、 根据权利要求1~6任意一项所述的透镜，其特征在于，所述折射 面(3)、全反射面(4)、出射面(5)或其任意组合为自由曲面。
8、 一种LED灯头，其特征在于，其由一个或多个发光单元(10)构成， 所述发光单元(10)包括权利要求1 7任意一项所述的透镜；LED底座(13)，其设置于所述透镜本体(l)的下部； LED芯(ll)，其设置于所述LED底座(13)上，并且其发出的光源(12) 容置于所述透镜本体的光源区(2)内；LED电源导入部(14)，其设置于所述LED底座(13)上。
9、 根据权利要求8所述的LED灯头，其特征在于，所述的发光单元 (IO)呈阵列排列。
10、 根据权利要求9所述的LED灯头，其特征在于，所述的阵列排 列的各排相互组合形成圆弧形，每排由多个发光单元(10)排列组成。
全文摘要
本发明提供了一种自由曲面透镜，其包括由透明材质形成基本呈碗体结构的本体(1)，本体底部向内凹陷形成可容置LED的光源区(2)，围绕所述光源区(2)的本体(1)表面为折射面(3)，所述本体(1)的外周为可反射光线的全反射面(4)，所述本体上部为光线的出射面(5)；所述光源区(2)发出的光源穿过折射面(3)进入本体(1)后，光线直接穿过出射面(5)和/或光线经全反射面(4)反射后再次进入本体进而穿过出射面(5)。本发明还提供了包含所述自由曲面透镜的自由曲面配光的大功率LED灯头。本发明的LED灯头可在不同使用场合灵活、高效率地由设计者来进行配光。
文档编号F21V5/00GK101539267SQ20081008689
公开日2009年9月23日 申请日期2008年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者张志辉, 李荣彬, 雪 杜, 蒋金波 申请人:香港理工大学