专利名称：一种有效照射率很高的led灯具照明方法
技术领域：
本发明涉及一种照明方法，尤指以LED作为光源的具有很高的有效照射率的照明方法。
背景技术：
近几年，随着LED的发光效率增长100倍，成本下降10倍，其在照明领域的发展前景，吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。美、日、欧及，中国台湾省均推出了半导体照明计划。我国2001年863计划立项，2003年紧急启动了"国家半导体照明工程"。从2006年的"十一五"开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。当前，我国经济快速增长，能源紧张的矛盾日益显现，我国照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，因此提高照明产品的能效水平，无疑将较大幅度降低能源消耗，有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。国家将贯彻节能优先政策，并将"照明器具"列入节能重点领域，在"十一五"期间，大力推进绿色节能照明工程，LED路灯就是LED技术的重要节能应用。
现在的交通道路照明设计通常采用常规光源的配光曲线呈广角度圆周正态分布，而现在道路照明设计大都采用单侧照明，这样就会造成局部光源浪费在屋边照明的地方；另外因为依照现在的交通照设计标准，道路方向路灯间距一般是3倍于灯高，由于常规光源的配光曲线的关系造成有些光源无法照明的黑暗地带。这不仅造成能源的浪费，也给夜间行驶带来很大的不便，产生安全隐患。如高速公路照明，路面宽11m，需30m设置一路灯(灯高12m)，如图l所示，采用单灯照射，单灯光斑半径为5. 5m，则光斑面积3. 14*5. 5m*5. 5m = 95m2，而两灯间光斑未覆盖路面面积为30m*llm_95m2 = 235m2。
如增大光斑面积，使相邻两光斑可以相连接，如图2所示采用大角度LED，则单灯光斑面积=3. 14*15m*15m = 706. 5m2 ;单灯照射路面面积30m*llm = 330n^，照射到路面外面积为706. 5m2-330m2 = 376. 5m2，占总面积的53. 2%，故其有效照射率为46. 8%;这种方式虽解决了两灯之间的部分黑暗带(残余黑暗带a区)，但是造成一半以上的光效浪费(光害b区)，且因为光斑较大，照度较弱。 美国CREE公司网站揭露了一种LED路灯6'，该路灯6'由六组或八组LED分布在"V"形灯架4' 、5'上，其中如图3所示，中间两组为裸灯设置的LEDla' 、lb'，该两组的LEDla' 、lb'垂直照射路面，其余几组LED2a' 、2b' 、3a' 、3b'分别呈不同角度设置于"V"形灯架4' 、5'上且灯头外设有透镜罩，从而使照射范围增大。这样就在路面上形成六个或八个并排的圆形光斑，但两圆形光斑间A处仍会有黑暗地带；CREE公司为解决上述问题，将每组LED的数目增加，从而增大每个圆形光斑的面积，如图4所示，此时单灯光斑面积3. 14*15m*10m = 471m2，单灯照射目标路面面积=30m*llm = 330m2，单灯光斑照射路面以外面积为471m2-3301112 = 141m2，占光斑总面积的30% ，故其有效照射率为70% ，另外此种路灯还有个缺陷为光斑明暗相间，不均匀。 另外欧司朗公司使用了新型椭圆透镜，使路灯在路面上形成椭圆光斑，但是如图5所示这种光斑中心和边缘的亮度比达到4比l，边缘的光度达不到要求，尤其在雾天或雨天，边缘的亮度可能更少甚至黑暗。 台湾光宝公司在图2基础上采用遮光的方式将照射到路面外的光反射回路面。即灯杆方向垂直遮光，另一端采用反射方式。这种方案解决了部分光效浪费，但光斑中心和两端的亮度比达到4比l，边缘的光度达不到要求，尤其在雾天或雨天，边缘的亮度可能更少甚至黑暗。 中国专利CN1995808分割式LED投射照明方法公开一种LED路灯，其方案是确定被照射面和大功率发光二极管灯的数量；设置大功率发光二极管灯；配设投影透镜组；其中被照射面可被划分成相邻且按一定规则分布的一个个被照射面单元，被照射面单元的数量与大功率发光二极管灯的数量相同；被照射单元的面积的光通量*投影透镜透过率/被照面要求的平均照度；但该专利没有考虑到路灯是设在12高的灯杆上，光从LED照到地面上要经12m到22m的距离，实际接收端被照物表面上单个像素点的有效光通量=(发射端对应LED的总光通量X热衰减因素X透镜淬取率+余光)X透过率X距离损失因素，因此亮度要远小于该专利中所述的15Lux，因此其灯的数目显然不能如该专利所述设置，故其没有工业实用性，另外如该专利附图如图6所示，其外围LED呈现环形设置，因此其在地面上的照射面只能是圆形或者椭圆形，无法实现道路的矩形照射。 专利ZL200720039483. 1公开了一种大功率LED路灯，如图7所示其具体实施方案为(7b为两端封挡、8b为翅形散热片、9b为壳体、10b为导热胶、llb为印刷电路板、12b为密封圈、13b为出光透镜、14b为发光二极管、15b为透光罩、16b为封挡固定孔)LED14b贴装在铝基印刷电路板lib上，铝基印刷电路板lib嵌入在灯头壳体9b内侧，LED14b的出光口配置透镜13b，透光罩15b直接与壳体9b连接，壳体9b内设有翅形散热片8b，LED14b沿纵向或环形或呈阵列状均匀分布于透光罩15b内。根据该专利所述 该专利的透镜排列方式类似于CREE的V排列只不过形式改为倒V形(与专利200720005613. X的沙漏形相同)，同样在被照射面上形成与CREE路灯相似的光斑；故该专利也会产生同CREE路灯相同的问题。
发明内容
本发明采用广域多角度逐点扫描式照射方法，每个LED为被照射面上对应的像素
点提供照射。故本发明的内容是提供一种有效照射率很高的LED灯具照射方法。 为达成上述目的，本发明提供一种LED灯具的照射方法，该方法包括将单个LED
灯具所控制照射的路面划分为多个正方形照射区域，所有照射区域布满需照射路面；所述
有效照射率很高的LED灯具上安装有多个呈穹形曲面阵列分布的LED，所述LED的个数与所
述照射区域的个数相同，每个LED前分别设置有凸透镜，调节每个凸透镜和与其相对应的
LED之间的距离，使每个LED在路面上的光斑与对应的照射区域外接并且使相邻两个光斑
的边缘部分重叠；被照射路面最亮处与最暗处的照度比为0. 5 l，优选地是，被照射路面
最亮处与最暗处的照度比趋近于1。照射区域的个数满足灯具的有效照射率至少为0. 75，
其中，所述有效照射率为灯具的有效照射面积与灯具的总照射面积的比值。 在路面宽度方向上至少具有两个照射区域，灯杆左右两侧的照射区域关于灯杆对
称分布。优选地是，所述有效照射率为至少为0. 90，并且在路面宽度方向上至少具有3个照
射区域。
每个照射区域的面积大体相同，每个LED在路面上的光斑对应完全覆盖每个照射区域。优选地是，相邻两个照射区域的面积不同，每个LED在路面上的光斑对应完全覆盖每个照射区域。 所述每个LED的发光效率相同和驱动电流相同。然而，每个LED的发光效率也可不同，或者为每个LED提供的驱动电流不同。 本发明还提供一种LED灯具，其包括透镜模组、外壳散热模组、LED模组、固定模组和驱动电源模组；所述透镜模组包括灯罩和安装在灯罩上的凸透镜；所述LED模组由固定管身和安装在固定管身上的LED组成，每一 LED与每一凸透镜一一对应并且每一 LED发出的光能够垂直通过相对应的凸透镜，所述LED在呈穹形曲面阵列分布，相邻两个LED在路面上的光斑的边缘部分重叠，所有LED的光斑布满需照射路面；LED的数量和分布要满足其有效照射率至少为0. 75，所述有效照射率为灯具的有效照射面积与灯具的总照射面积的比值。
所述的电源为与LED模块数量对应的密闭电源盒，驱动电源模组与LED照明模组分离，每个电源盒内设有与一组LED模块数量相等的恒流电源，该恒流电源两端分别插接在高低压插接座上。 所述的LED通过螺钉固定在灯壳底部上，每个LED下有垫片通过控制垫片的厚度以及数量来控制每个LED到其相对应透镜的距离，从而以焦距的调整来实现每个LED通过透镜产生的光斑大小。 采用上述的技术方案后，由于每一个LED对应路面上一个照射区域，而光斑是LED的汇聚光而不是发散光，亮度较均匀。通过调节透镜装置来控制该光斑的大小，该光斑既可以是边缘相连或边缘形成重叠。由于待照射区域上的每个照明单元都被相应的LED形成的光斑所覆盖，因此不存在照射死角，整个被照面亮度非常均匀；同时所有LED均照射在对应区域，不会照射到路面外面，不会产生光污染，也不会有光效浪费。
图1是习用路灯路面照射示意图；图2是另一习用路灯路面照射示意图；图3是美国CREE公司路灯结构示意图；图4是美国CREE公司路灯路面照射示意图；图5是常用路灯光斑不同区域照度比值示意6是又一对比技术结构示意图；图7是再一对比技术结构示意图；图8是本发明单LED照射角度示意图；图9是本发明LED光路示意图；图10是本发明光斑填充示意图；图ll是本发明光害模拟示意图；图12是本发明技术方案示意具体实施例方式
下面将结合附图，对发明进行详细描述。
如图8、图IO所示，将被照射面均分，使每个LED对应路面上一个独立的照射区域， 因为每个LED只负责一个狭小的照明区域，故只有负责边缘区域照射的LED会有光源的浪 费，如图11所示对于长L宽W的矩形照射面，将其均分为边长为aXa的n等份，以b为直 径的圆①b就是我们单LED加透镜所需要在被照面上的像素点。照射区域分别为正常照射 区域、重叠照射区(两相邻光斑重叠区域)、外区(位于所需照射区域之外_>光害区，但是
如图所示该区域的范围非常之小，基本可以忽略不计，单光斑的光害区面积
S光害K冬)2-Of2)"; S面积=^x(—)2 ; 6 = V5a ;
Sa害 7T-^
相之比于总照射面积有
= 0.091;
s面积 4"
S总光害—S光害x v S总面积S面积x n
注式中k为光害区域的数量，n为照射面均分的数量，当单光斑照射时k =4，
n = 1，此时l^的值为0. 364，但是我们知道此种广域多角度的LED灯具是用于大范围的 5总面积
投射和泛光照明使用，故LED的数目都会比较多工的值都会远小于1， !^的值就会趋近
于O，所以我们可以说该种LED照明灯具的光污染趋近于O，有效照射率趋近于1。 如图9所示在发光源LED的光能通过透镜聚焦约束以后再投射到被照射面这个
过程种，发射端(LED端)的发射总光通量和接受端(被照射物表面)的接受总光通量并
不是相同的，因为他们会被光源的工作参数、发光源距离被照物表面的距离、其他光源的干
涉、透镜的萃取率、灯罩的透过率、空气中微小颗粒的体积等等影响，发射端的发射总光通
量和接受端的接受总光通量满足以下公式 接收端被照物表面上单个像素点的有效光通量=(发射端对应LED的总光通量X 热衰减因素X透镜淬取率+余光)X透过率X距离损失因素
①有效二 Ev平均XA = (OvX p X n+①余光)X入X ii- —Ev￥ts (照度被照物表面的平均照度为测量值或设计要求值；单位勒克斯
llux = llm/m2); -—A (被照物被照亮的面积单位平方米m2); —-Ov(发射端对应LED的总光通量，LED的型号和其工作电参数决定单位流明 lm);
值在O
-一P (热衰减因素，LED的发光效率会受到工作环境、元器件温度变化的影响其 1之间)；
-一 n (透镜萃取率，LED所发射出的光被透镜聚焦折射的量与LED说发射出的总 的光的比值，与LED和透镜之间的距离、LED —次发光角度、透镜的有效光学面积有关，其值 在0 1之间)；
7[OO46] —-①余光(因为该LED灯具的发光源不是单一 LED而是多LED阵列，故LED光源之 间会有相互影响，余光值的大小与LED阵列的排布方式、LED和透镜之间的距离有关单位 流明lm); -—A (透过率，该LED灯具的透镜和透明灯罩均由P匪亚克力射出成型，因为光线
穿过透明材料都有损耗，该损耗与透明材料的材质有关，其值在0 1之间)； -—ii (光线经过透镜和透明灯罩以后射出灯具，然后经过一段路程到达被照射物
表面，在光线这个穿越过程中，光线会因为被空气中的微小尘埃粒子、小液滴等反射和吸收
在到达被照射物表面时减弱；其值与照射距离、空气的温湿度、天气状况等等因素有关，其
值在0 1之间)； 通过上述公式，在了解被照射区要求(面积与平均照度)的条件下即可反求出该 LED照明灯具所需的发光效率或LED的驱动电流以及总的LED数量。 以高速公路为例，若采用本灯具采用12m灯杆可达到30m(灯距30m)乘11m的矩 形照射范围，距离灯具的最远照射距离为22m，若在22m处的平均照度要求为15Lux，单灯提 供照射面积为。2. 5m的圆，根据公式①有效二Ev平均XA二 (OvX p X n+①余光)X入X y ， 用适当的参数即可推算出负责该处照明的LED需要IOO流明的总光通量。而整个照射面积 为s = 30m*llm = 3301112，整块面积的平均照度为15Lux，同样依据上述公式经计算得出，我 们仅仅需要8000流明(即100只80流明的LED)的总光通量即可满足照射要求。
如图12所述的有效照射率很高的LED照明灯具由照明模组(由透镜模组la和 LED模组2a组成)、固定模组3a、驱动电源模组4a组成；照明模组为10组，分两排以拱桥 形呈发散状设置在固定模组3a上。 固定模组3a由固定片31a、支撑架32a、主支撑杆33a以及灯杆接头34a、卡簧35a、 固定螺钉36a组成，驱动电源模组4a设置在支撑架32a上，每个驱动电源模组4a里面设置 有与照明模组数量相等的恒流驱动电源41a，该恒流驱动电源41a两端分别接插在高低压 接插座上，每组照明模组包含10只LED灯组成(350mA电流的基础标准功耗为IOW，其具体 功耗由驱动电源模组提供的电流决定，为可调整值)，当标准功耗为100W时，为减少LED灯 具体积，LED照明模组分为两大组，前4模组、后6模组作平行排列。 另外由于本发明采用分区照射，人眼最多只看到两个一半的LED，因此不会产生炫 光，较安全，不会有光污染。 以上描述仅为本发明的实施例，谅能理解在不偏离本发明的构思下，对本发明简 单的修改和替换皆应包含在本发明的技术构思之内。
权利要求
一种有效照射率很高的LED灯具照射方法，包括将单个LED灯具所控制照射的路面划分为多个正方形照射区域，所有照射区域布满需照射路面；其特征在于所述LED灯具上安装有多个呈穹形曲面阵列分布的LED，所述LED的个数与所述照射区域的个数相同，每个LED前分别设置有凸透镜，调节每个凸透镜和与其相对应的LED之间的距离，使每个LED在路面上的光斑与对应的照射区域外接并且使相邻两个光斑的边缘部分重叠；被照射路面最亮处与最暗处的照度比为0.5～1，照射区域的个数满足灯具的有效照射率至少为0.75，其中，所述有效照射率为灯具的有效照射面积与灯具的总照射面积的比值。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于在路面宽度方向上至少具有两个照射区域，灯杆左右两侧的照射区域关于灯杆对称分布。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述有效照射率为至少为0.90，并且在路面宽度方向上至少具有3个照射区域。
4. 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于每个照射区域的面积大体相同，每个LED在路面上的光斑对应完全覆盖每个照射区域。
5. 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于相邻两个照射区域的面积不同，每个LED在路面上的光斑对应完全覆盖每个照射区域。
6. 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于所述每个LED的发光效率相同和驱动电流相同。
7. 如权利要求3所述的方法，其特征在于被照射路面最亮处与最暗处的照度比趋近于l。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于每个LED的发光效率不同，或者为每个LED提供的驱动电流不同。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于每个LED的驱动电流采用调四段调整式调节，可按需求调整为350mA、500mA、700mA、1000mA。
10. 如权利要求6所述的方法，其特征在于所述LED的发光效率或驱动电流可直接或间接根据下述公式获得<formula>formula see original document page 2</formula>Ev￥ts—照射区域的平均照度值，为测量值或设计要求值；A—照射区域面积；Ov—-单个LED灯具的发光效率；P -—热衰减因素，其值在O 1之间；n-—透镜萃取率，其值在o 1之间；①余光-一 余光值；入-一 透过率，其值在0 1之间；y -—距离损失因素，其值在o 1之间。
11. 如权利要求8所述的方法，其特征在于所述LED的发光效率或驱动电流可直接或间接根据下述公式获得Ev平均XA = (OvX p X n+①余光)X入X ;其中Ev￥ts—照射区域的平均照度值，为测量值或设计要求值；A-—照射区域面积；Ov—-单个LED灯具的发光效率；P -—热衰减因素，其值在0 1之间；n-—透镜萃取率，其值在0 1之间；O汆光一-余光值；入---透过率，其值在0 1之间；P—-距离损失因素，其值在0 l之间。
12.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于每个照射区域能够根据区域或者要求的不同而利用不同的颜色的LED进行照射，以实现分区分色照射。
全文摘要
本发明公开一种有效照射率很高的LED灯具的照明方法，在该照明方法中LED灯具照明装置中设有多个呈穹曲面形阵列排布的LED，每个LED前分别设置有透镜装置，使每个LED对应被照射面上一个独立的照射区域，所有照射区域布满需照射面；由于待照射区域上的每个照明单元(像素)都被相应的LED形成的光斑所覆盖，因此不存在照射死角，整个被照面亮度非常均匀；同时所有LED均照射在对应区域，灯具的有效照射率极高，故不会产生光污染，也不会有光效浪费。
文档编号F21S8/00GK101749592SQ20081018824
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者欧阳伟, 欧阳杰 申请人:欧阳杰;欧阳伟