一种二次光学特殊曲面透镜及其星形排列透镜式路灯的制作方法

本发明涉及一种透镜及应用该透镜式路灯，尤其是涉及一种二次光学特殊曲面透镜及该光学透镜按一种星形排列方式形成整版光学透镜进而组成路灯。

背景技术：

随着半导体芯片与封装技术的发展，LED的发光效率得到迅速的提升。LED具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点，被广泛应用于LED路灯照明并成为研究热点。现有的LED室外灯具，特别是用于路灯或隧道照明的LED道路照明灯具，大部分厂家都未对其进行二次光学设计，经过透镜出射的光束光线利用率低，特别是单位面积上光线数量很有限，直接影响灯具产品结构形状，特别不利于LED模块与灯具一体化设计，LED灯具的光线照射范围较小，路灯道路适应性较差，照射效果也较差，照度均匀度较差，产品散热器件不能有效利用，产品成本无法进一步降低。目前市面上的LED路灯光源大都采用单颗1.5W以上矩阵排列或集成LED光源，单颗1W及以下LED光源一般使用在室内灯具或光源中，室外产品特别是路灯上未使用过。

如专利号为：ZL201320161097.5，专利名称：二次光学非对称透镜及非对称透镜式路灯，提供了一种光线利用率高，照射范围广的经过二次光学设计的非对称透镜，以满足道路照明需求的非对称透镜式路灯。采用的方案包括：二次光学非对称透镜，其包括入射面及出光面，入射面为自由曲面，出光面为自由曲面，入射面和出光面为非对称分布。

又如专利号为：ZL200710123944.8,专利名称：二次光学透镜，提供涉及一种LED路灯用二次光学透镜,其特征在于,具有一基面,并且基面是一平面;出光面由二个局部球面及介于二个局部球面之间的过渡面组成;出光面与基面相贯,界定出基面的轮廓;基面中央设有入光面,入光面是一凹面;基面、入光面、出光面共同界定出二次光透镜的本体;二次光学透镜还包括设置于本体基面的一对扣勾,一对扣勾分别设置于基面纵向的二个边缘;扣勾之勾尖沿基面纵向延伸至基面以外,勾尖的正面即朝向出光面的一面是第一平面,第一平面与基面平行,勾尖的背面即远离出光面的一面是第二平面,第二平面相对第一平面是一斜面,第二平面延伸至基面以外的一端为低端。

综上所述，以上现有技术在单位面积上的光线数量有限，LED灯具模组结构大小及整灯光学面大小不能做到更小，不利于现有路灯结构兼容，单位面积功率密度不能满足某些区域客户要求。而且上述类似二次光学设计对光源功率及光效要求较高，单颗光源芯片至少1.5W及以上，这样极大的限制了LED模组进一步降低成本，而且目前大功率光源显色指数较低。成本无法进一步降低，产品显色指数较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是拓展了中、低功率LED光源芯片（0.5W～1W）的使用范围，将只能应用于室内产品的LED光源应用到道路照明中，大幅度降低产品成本，并极大提升产品显色指数。创新性的将室内大批量应用的中低功率光源通过一种特殊的二次光学设计，将中低功率LED芯片拓展使用在室外路灯照明上，并有效解决路灯显色指数低，成本一直偏高，照明效果无法满足1:4及更高的杆高比的问题。

该二次光学特殊内曲面透镜设计是提供一种二次光学设计的特殊曲面透镜，并经过该透镜出射的光束光线利用率高，光线照射范围更广。

该特殊曲面透镜式路灯，将上述二次光学特殊曲面透镜按一定星形矩阵方式排列在一个模组上形成六棱星形透镜式路灯，该路灯满足道路照明需求，成本低廉，显色指数高，节约能源，采用中低功率LED光源，使光照的利用率得到有效提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：二次光学透镜，包括入射面及出光面，入射面为自由曲面，出光面为自由曲面，入射面及出光面为特殊曲面。

具体的，所述入射面为弧面，出光面为弧面。

进一步的，入射面的曲面方程为 ，其中，第一折射率k₁为光线从空气到透镜之间的折射率，其取值范围为：k1=1.02～1.3；入射面曲面半径R的取值范围为：R=2～2.5毫米。

进一步的，出光面的曲面方程为 ，其中，半径，半径r=3.8～4.0毫米，第二折射率k₂为光线从透镜到空气之间的折射率，其取值范围为：k2=1.02～1.3；c为透镜折射率与空气折射率之间的修正系数，其值为c=0.8。

二次光学透镜式路灯，包括至少四十八个如上所述的二次光学透镜，二次光学透镜以A×B矩阵方式排列形成整版透镜路灯，其中，A为大于等于4的整数，B为大于等于12的整数。A、B按上述排列后每6个透镜凸包形成一个类似星形的图形

进一步的，该透镜式路灯还包括防水硅胶条安装槽，防水硅胶条安装槽安装于星形排列透镜式路灯的四周，以及12个塑料卡勾，该透镜定位安装无须使用螺钉及工具。

本发明的有益效果是：二次光学星形透镜能够有效提高光线利用率，由其出射的光线照射范围更广。在达到相同的照明亮度时，本发明所需的中小功率LED光源，在相同功率的LED光源条件下，使用二次光学特殊曲面透镜星形排布式的灯具照明亮度更高。星形透镜式路灯能够有效解决当前光照斑马效应问题以及杆高间距比超过1:4及以上的实际道路照明问题，满足当前需求，有效地填补了LED道路灯具目前的光学设计不满足当前实际需要，显色指数一直无法大幅度提升，将室内LED光源芯片与室外LED光源光源兼容应用的技术空白，降低能耗，节约能源，环保可靠，成本更加低廉。本发明适用于LED灯具。

附图说明

图1是现有技术中具有二次光学LED道路照明灯具结构示意图；

图2是本发明的二次光学星形透镜元件结构示意图；

图3是本发明实施例的星形透镜式路灯结构示意图；

其中，401为LED光源，402为安装底座，403为高反射率反射器，404为透镜，40为二次光学星形透镜，401为LED光源，402为入射面，403为出光面，405为安装面，301为防水硅胶条安装槽，302为LED路灯元件，303为光源输入线孔位及光源数量标记盘，304定位及固定卡勾，305为固定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

如图2所示，本发明的二次光学星形透镜40，包括入射面402及出光面403，入射面402为自由曲面，出光面403为自由曲面，以LED光源401为中心，入射面402及出光面403特殊内部分布。

实施例

本例中，LED光源401安装于安装面405上，通过固定装置将二次光学非对称透镜40固定在安装面405上。

所述入射面402的曲面方程为，本例中第一折射率k₁=1.35，入射面曲面半径R的取值范围为：R=2毫米。

出光面403的曲面方程为其中，半径，本例中半径 r=3.8毫米，第二折射率k₂=1.3，修正系数c=0.91。

入射面402接收LED光源201发出的光线，再通过透镜内部的折射从出光面403出光。

如图3，将本发明的二次光学透镜按A×B矩阵方式排列形成整版透镜路灯，每6个透镜凸包形成1个6个棱的星形，每一整版透镜不少于6个星形透镜式路灯，其中，A为大于等于4的整数，B为大于等于12的整数。

本例中星形透镜式路灯中，二次光学透镜呈矩阵排列，每个透镜的中心横向间距为18.05mm±0.1mm，纵向间距为10.1mm±0.3mm，矩阵样式的透镜一体化注塑成型，每6个二次光学透镜凸包形成1个星，总共形成不少于6个星形的整板透镜，进而形成星形透镜式路灯。在实际中，二次光学透镜以12纵排和4横排的矩阵排列方式形成最小整板排列，形成最小单模组发光，满足实际道路最小照明需求。

星形透镜式路灯还包括防水硅胶条安装槽301，该安装槽安装于环路灯的四周，硅胶条安装在防水硅胶条安装槽301中，可以解决灯具防水防尘问题，无需外部增加玻璃或其他防水防尘部件，其防护等级可达到IP67及以上。304为星形结构整板透镜定位针，用于二次光学星形透镜的定位。

由于二次光学星形透镜的入射面402及出光面403内部结构特殊分布。在实际应用中，入射面402与出光面403距离较近的一端，其出光量多，出光角度大，会安装在路灯远离灯杆的一端，这样80%的灯光能够照射到路面上。入射面402与出光面403距离较远的一端，其出光量少，出光角度小，会安装在星形透镜式路灯靠近灯杆的一端，这样利用较少光即可使得灯杆附近有良好的照明效果。综上，采取该星形透镜式路灯可以大大节约光能，将大部分光束投射到路面，扩大照射范围，加强路面的照度。

单个二次光学星形透镜的照射范围广，按一定矩阵方式排列能够提高照明光的总照度，以使其实际光学照射效果满足设计要求，在灯杆杆高与间距比大于等于1:4的道路条件下，其横向和纵向均匀度满足国标CJJ45-2006要求。若道路宽度增加，要达到照明效果则只需增加相应透镜即可实现。