专利名称：用于大功率led路灯照明的自由曲面偏光透镜的制作方法
技术领域：
用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜技术领域[0001]本实用新型属于LED照明技术领域，具体涉及一种LED路灯的偏光透镜。
技术背景[0002]LED作为一种新型的固体光源，同传统光源相比具有很多优势，如节能，环 保，易于调节，寿命长等优点，因此非常适合作为各种照明领域的光源，比如道路照明 光源。[0003]道路照明系统不同于一般的照明灯具，其照明的场最好为矩形区域，以提高光 的利用率。根据国家公路照明标准，要满足在一矩形的被照平面上(一般是10米X40 米)的平均照度以及照度均勻度。[0004]由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，直接用于照明，会在 路面上形成一个不均勻的圆斑，中心处很亮，而在径向衰减很快。这就需要设计相应的 光学系统来重新配光。目前出现的LED路灯，有使用偏光透镜对LED光源进行配光，这 种路灯的光能利用率很高，但是由于中心光强过大无法打散，导致单颗路灯照射距离较 短(一般在30米至35米)，若路灯安装间距较大，会在两灯之间出现暗区。而现有的比 较成熟的配光方式是在LED光源前安放光学透镜，其中在照射距离和照度均勻度做的比 较好的为花生型透镜。但是由于花生形透镜采用对称设计，而路灯灯杆一般是放置在路 边，所以路灯在使用中会有大量的光照射到路面以外的区域，不利于光能的有效利用。实用新型内容[0005]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LED路灯的偏光透 镜，能使LED路灯的光能集中到路面上，并且形成均勻矩形照明区域。本实用新型采用 如下技术方案[0006]用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和 底面，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；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成所述出射面。[0007]上述的自由曲面偏光透镜，以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面 为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平 面对称，由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即 得到透镜的自由曲面的形状。[0008]所述自由曲面由如下方法确定[0009](1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格。[0010]首先目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a，宽为b的矩形区 域，取其第一象限和第四象限作为研究对象，则长边为a/2，因为路面纵向偏光，侧边在 第一象限的长度为C，第四象限的长度为d，LED光源的总光通量为Φ，目标区域的平 均照度为Ev(Ev为总光通量除以目标区域面积)，LED中心光强为Itl= Φ/π。将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成η份，沿Y轴方向以步长k等分成m份，得到 χ (η)和y(m)的数组。这样在目标照明区域第一象限就形成了 mXn个等面积的正方形 网格。对应的，通过计算每一份网格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明 区域在第一象限的划分，在θ角上分成η份，在炉角上分成m份。[0011](2)通过能量守恒计算光线出射的Θ角(Θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平 面的夹角)[0012]第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量[0013]Energy = k · (c+d) · Ev[0014]第二步，由能量守恒求出θ角(炉角为出射光线与Y轴正向的夹角)[0015]LED出射能量为[0016]C) [I0 ·οο8(θ)-(8 η(φ))^θ φ[0017]有上述第一步和第二步的能量守恒关系，可以得出θ的迭代关系式，通过计算 机计算可以求出一系列θ值。[0018](3)由能量对应关系计算炉角[0019]以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为k2。[0020]第一步，计算每一小格的总能量[0021]energy = Ev · k2[0022]第二步，对应于光源的出射能量为[0023]C)Cl)/G.e。_.(sin_2i/_[0024]第三步，将以上两步建立等式，通过计算机建立二重循环计算可以求出P序 列。[0025](4)由折射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通 过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为[0026][1+- 2n(oiit · in)f2 N=out-nin[0027]其中η为折射率，冗为入射光线单位向量，(^f为出射光线单位向量，々为自 由曲面在某一点上的单位法向量；[0028]在计算中，首先确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个偏光透镜的 尺寸，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整 个自由曲面。计算方法由0)，(3)中所确定的θ和炉可以求出入射光线的单位向量， 通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从 而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的 切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点 的坐标。由此确定了自由曲面的坐标。[0029](5)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面[0030]得到的曲面为对应于YOZ平面镜像，可以得到最终的偏光透镜曲面。[0031]上述的自由曲面偏光透镜，m，η的取值越大，得到所述曲面上的离散点越多， 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面。[0032]上述的自由曲面偏光透镜，所述底面为平面，LED灯的发光部分位于所述凹坑 内，LED灯的底面与透镜的底面位于同一平面上。[0033]上述的自由曲面偏光透镜，所述h的取值范围为5 12m，a的取值范围为30 40m，b的取值范围为8 12m。上述的自由曲面偏光透镜，偏光透镜由明PC或PMMA 制成。[0034]与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果本实用新型提供一种LED路 灯灯具所用偏光透镜，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 区域成为一矩形均勻照明面，符合国家道路照明的光分布与照度要求。由于目前使用 的LED路灯透镜都为对称设计，在使用时大量的光能照射到路面以外的区域，损失了光 能。考虑到路灯位置和路面的形状，本实用新型所述的LED透镜采用为偏光矩形设计， 则大幅提高光能的利用率。
[0035]图1为实施方式中求解透镜自由曲面中LED光源及其球坐标图。[0036]图2为实施方式中目标区域第一象限和第四象限划分网格图。[0037]图3为实施方式中透镜的俯视图。[0038]图4为实施方式中透镜的侧视图。[0039]图5为实施方式中透镜的仰视图。[0040]图6为实施方式中透镜的三维立体图。[0041]具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本实用新型的实施作进一步描述，但本实用新型的实施不限于 此。[0043](1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格，如图1、图2所示。[0044]首先目标照明面与LED的距离为10m，目标照明区域是长为40m，宽为12m的 矩形区域，取其第一象限和第四象限作为确定对象，则确定长边为20m，因为LED灯光 沿Y轴偏光，侧边在第一象限的长度9m，第四象限的长度为3m，LED光源101的总光 通量为1001m，则目标区域的平均照度为0.2083k，LED中心光强为31.8310cd。将目标 照明矩形区域102沿X轴方向以步长0.2m等分成100份，沿Y轴方向以步长0.2m等分 成60份，得到X(IOl)和y(61)的数组x(l) =0，χ(2) =0.2，χ(3) = 0.4……依次类 推；y(l) =0，y(2) =0.2，y(3) =0.4……依次类推。这样在目标照明区域第一、四象 限就形成了 100X60个等面积的正方形网格。对应的，通过计算每一份网格的能量，将 光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在θ角上分成100份， 在炉角上分成60份。[0045](2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线107与Y轴所在平面与YOZ 平面的夹角)[0046]第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的最后能量[0047][0048] Energy = k · (c+d) · Ev[0048] 带入数据的[n[l名y—o．2×12×o．2083一o．4999[0049] 第二步， 由能量守恒求出O角(田角为出射光线107与Y轴正向的夹角)[0050] L[D出射能量为[005]]
权利要求1.用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底 面，其特征在于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；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成所述出射
2.根据权利要求1所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于以LED灯底面的圆心为原 点，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏 光透镜的形状关于YOZ平面对称，由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相 对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。
3.根据权利要求1所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于所述底面为平面；LED灯 的发光部分位于所述凹坑内，LED灯的底面与透镜的底面位于同一平面上。
4.根据权利要求1 3任一项所述的自由曲面偏光透镜，其特征在于偏光透镜由明材 料PC或PMMA制成。
专利摘要本实用新型公开了用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底面，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；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成出射面。以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称，由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜的自由曲面的形状。通过偏光透镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域成为一矩形均匀照明面，符合国家道路照明的光分布与照度要求。
文档编号F21W131/103GK201811146SQ200920215029
公开日2011年4月27日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者张奇辉, 张小凡, 王洪, 王海宏 申请人:华南理工大学