专利名称:Led路灯透镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及LED照明领域，尤其涉及光能利用率较高的LED路灯透镜。
技术背景
路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上 光效低的缺点造成了能源的巨大浪费。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环 保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。
现今，LED光源作为路灯的应用已越来越广泛。LED光源是光线分布较发散的光 源，为配合道路照明，需要在充分提高光能利用率的基础上重新配光。
目前市场上LED路灯主要采用两种配光形式，第一种为将LED发光模块拱起或凹 进，这种配光形式能将光在路面平行方向分布较广，但光能利用率低，均匀性达不到要求。 第二种为采用透镜配光，透镜材料为PC或PMMA，透镜结构设计的不合理和材料本身的损 耗，光能利用率低。
公开号为CN2842182中国专利公开了一种LED路灯，这种路灯中的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，整个LED 的安装面呈凸起状。
公开号为CN1821651的中国专利公开了一种大功率LED路灯，这种路灯灯头套接 有对应的透镜，透镜通过固定盖板固定。
公开号为CN2896006的中国专利公开了一种高亮度LED路灯灯头，灯头内设置有 拱形支架，大功率LED安装在支架上，每个LED都装有透镜。
公开号为CN1936417的中国专利公开了一种LED路灯光源，这种路灯的发光装置 是LED安装在散热上座的底面上，底面由相互间成一定夹角的多个倾斜平面构成，LED通过 透镜套住，用透镜固定架固定透镜。
公开号为CN101105272中国专利公开了一种LED路灯透镜，这种透镜的结构是包 含具有圆对称的凹坑和枕头形的出射面以及全反射面，透镜的材料为PC或PMMA。 然而，以上专利文献揭露的路灯透镜的光能利用率很低或均匀性达不到标准。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种光利用率高的LED路灯透镜，达到在矩形区域内满 足道路照明的光分布照度要求。
为了达成上述目的，提供了一种LED路灯透镜，所述透镜安装在LED光源的上方， 所述透镜和光源的轴线在同一条直线上，所述透镜包含入射面和出射面、底面、全反射面以 及全反射面和出射面的过渡面，所述入射面为一个安装所述LED光源的长条形凹坑，凹坑 的中部为对称的圆弧线、自由曲线垂直拉伸的长条形曲面，其两端部为圆弧面或自由曲面； 出射面为一个沿着X轴方向弧形凹下、Y轴方向弧形凸出的花生米形状，穿过透镜中心轴的 横向截面的出射面轮廓圆弧凸出，穿过透镜中心轴的纵向截面的出射面轮廓中心区域弧形凹下；围绕入射面的全反射面，将光线反射向全反射面和出射面的过渡面。
较佳地，所述横向截面的正半截面轮廓的线段包括入射面轮廓包含线段AB、曲线
BC，底面轮廓为线段CD，全反射面轮廓为曲线DE，过渡面轮廓为曲线EF，出射面轮廓为曲线FG。
较佳地，FG曲线的构造方法为AB与FG线构成二维透镜，通过Z轴旋转36 0度， 将光源所发出的从0度到a角内的光能重新分配在垂直于LED光源中心线的目标平面的 半径为r圆形区域内，中心线经过圆形区域的中心；FG上点坐标为(x， z)，光线从光源点到 (x，z)经过FG上的点(xO，zO)，从而确定光源发出光线的顶角，在顶角内的光通量等于对应 的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据微分方程解出FG曲线的数值解。 较佳地，所述纵向截面的正半截面轮廓的线段包括入射面轮廓包含线段ab，底面 轮廓为线段bc，全反射面轮廓为曲线cd，过渡面轮廓为曲线de，出射面轮廓为曲线ef 。 较佳地，ef曲线的构造方法为ab与ef线构成二维透镜，通过Z轴旋转36 0度， 将光源所发出的从O度到13角内的光能重新分配在垂直于LED光源中心线的目标平面的 半径为r圆形区域内，中心线经过圆形区域的中心；假设光源为点光源，ef上点坐标为(y， z)，光线从光源点到(y，z)为入射光线，从(y，z)到目标平面为出射光线，在顶角内的光通 量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据微分方程解出ef曲线的数值解；其 中ab为根据LED实际配光所做调整的自由曲线。
较佳地，光源所发出的光路包括小角度光路和大角度光路，所述小角度光路为从 光源发出经过入射面折射到达出射面，然后再经过折射，从出射面出射，在一定距离的垂直 水平面内形成矩形光斑的所有光线组成，所述小角度光路在所述横向截面上所述透镜的垂 线的夹角在80度之内，所述小角度光路在所述纵向平面上与所述垂线的夹角在80度之内； 所述大角度光路为从光源发出经过入射面折射到达外围全反射面，经过反射后到达过渡 面，然后再经过折射从透镜出射，光线集中在上述矩形光斑之内，从而对中心区域的光进一 步增强补偿。
较佳地，所述透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或者玻璃。
较佳地，所述透镜为单个安装或多个阵列在和LED对应的发光面板上。
使用本实用新型的透镜，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折射传输出，
因此利用率较高。本实用新型的透镜的出射曲面的独特设计，可以把光能在照射面上很好
的分配，因此均匀度较高。
参考下文之现时较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本实用新型及其目的 与优点，其中
图1是本实用新型路灯透镜配合LED的系统剖视图；
图2是本实用新型路灯透镜配合两颗LED系统的剖视；图
图3是本实用新型透镜的上表面立体图；
图4是本实用新型透镜的下表面立体图；
图5是本实用新型透镜横向截面的二维坐标标记图；
图6是本实用新型透镜纵向截面的二维坐标标记图；[0028] 图7是本实用新型透镜阵列安装图；
图8是本实用新型路灯透镜配合LED系统光线传播图；
图9是实施本实用新型路灯透镜光学系统的实际安装照度分布图；
图10是实施本实用新型路灯透镜光学系统的实际安装配光曲线图。
附图符号表
11 透镜 111 透镜入射面
112 透镜出射面 113 透镜全反射面
114 透镜全反射面和出射面的过渡面 115 透镜底面
12 LED光源 3 目标区域
121 光源所发出的光线分成小角度光路
122 光源所发出的光线分成大角度光路
具体实施方式
现参考附图描述根据本实用新型的LED路灯透镜的较佳实施例。
如图1所示，根据本实用新型实施例LED路灯应用于一般的LED路灯光学系统1
中。光学系统1包含LED光源12。 LED光源12安装于透镜ll底面。
本实施例中，LED光源12为单个或多个大功率LED或LED模组。LED光源12发出
角度基本为180度的光。图2示出了是本实用新型路灯透镜配合两颗LED系统的剖视图。
透镜11将LED光源13所发出光线经过重新整形，在一定距离的垂直平面内形成
矩形光斑的透镜。现详述透镜11的结构。
如图3和4所示，透镜11包含入射面111和出射面112、全反射面113以及全反射 面和出射面的过渡面114、底面115。入射面111为长条形凹坑，凹坑的中部为对称的圆弧 线、自由曲线垂直拉伸的长条形曲面，其两端部为圆弧面或自由曲面。出射面112为一个纵 向弧形凹下、横向弧形凸出的花生米形状。围绕入射面的全反射面113，将光线反射向全反 射面和出射面的过渡面114。
如图5和6所示，透镜11的入射面111与出射面112按照如下方式形成 定义透镜中心轴为Z轴，与照明系统的主光轴方向重合，穿过透镜中心轴的横向 截面为X-Z平面，其出射面轮廓圆弧凸出，穿过透镜中心轴的纵向截面为Y-Z平面，其出射 面轮廓中心区域弧形凹下。
透镜X-Z平面上的正半截面轮廓的线段表示入射面轮廓为线段AB，过渡面轮廓 为曲线BC，底面轮廓线CD，全反射面轮廓线DE，过渡面轮廓线EF，出射面轮廓为曲线FG。
CD曲线的构造方法为
AB与FG线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，假设成三维圆对称透镜，将光源所 发出的从0度到a角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，假设光源为点 光源，FG上点坐标为(x， z)，根据光线折射定律，确定光线从光源点到(x， z)经过FG上的 点(x0， c)，从而确定光源发出光线的顶角，点(x0， z0)通过以下公式求得
<formula>formula see original document page 5</formula>
(o. i)
<formula>formula see original document page 5</formula>[0051] 此时出射光线矢量i'-(jc-JcO,Z-z0)
入射光线矢量j = (;cO,z0)
n为空气密度
n'为透镜密度
然后光线由点(xO， zO)到达(x， z)经过折射出射到目标区域，同样根据折射定律 (1. 1)，从而求得在到达目标圆形区域的半径r ;
此时出射光线矢量》=(^-1,//-匀
入射光线矢量J =
—;cO，z-z0)
n为透镜密度
n'为空气密度
再根据光能经过透镜的能量守恒公式，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内
圆形面积乘以照度。在顶角2e内的光通量为(Dl-j^/(e)dQ在目标平面的半径为r圆形
区域内的光通量为①2 = E* Ji r2，从而由边界条件x = 0， z = a和能量守恒公式①1 =①2 可以最终确定坐标点(x， z)数值解，最终拟合成FG自由曲线。
透镜Y-Z平面上的正半截面轮廓的线段表示入射面轮廓包含线段ab，底面轮廓 为线段bc，全反射面轮廓为曲线cd，过渡面轮廓为曲线de，出射面轮廓为曲线ef 。
ef曲线的构造方法为
ab与ef线构成二维透镜，通过Z轴旋转360度，假设成三维圆对称透镜，将光源 所发出的从0度到13角内的光能重新分配在目标平面的半径为r圆形区域内，假设光源为 点光源，ef上点坐标为(y， z)，根据光线折射定律，光线从光源点到(y， z)为入射光线，从 (y， z)到目标平面为出射光线，根据光能经过透镜过程中能量守恒公式，在光源顶角内的光 通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，根据边界条件y = 0， z = 0G，以及满足上 述公式的微分方程，求得ef曲线的数值解，最终拟和成ef自由曲线。
同理可以求得经过Y轴、与Z轴夹角为al的平面Pl上的曲线elfl，al > l度，此
时的边界条件为y = 0， z = 0G1， Gl为面Pl与CG的交点。a2角度对应的e2f2， a2 > al。
若将CG分割成等角度N段曲线(N > 3)，则可共求得有N+l条曲线。
透镜的出射面112是通过以上求得的纵横曲线网格化而成的曲面。
ab为根据LED实际配光所做调整的圆弧线或自由曲线，ab垂直拉伸的曲面经过左
右对称最终形成入射面111的凹坑中间部分。
本实施例中，透镜11的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者玻璃。
本实施例中，根据本实用新型的LED路灯透镜为单个安装。当然，本实用新型的透 镜还可阵列形成模块安装，如图7所示。
如图8所示，本实用新型从LED光源12所发出的光线分成小角度光路121和大角 度光路122，光路121是从LED光源12发出后射向透镜11的入射面lll，再由入射面111射 向透镜的出射面112，最后由经过出射面112折射到达在一定距离的垂直水平面内的目标 区域，在目标区域内形成矩形光斑的所有光线组成，小角度光路在X-Z平面上与Z轴的夹角在80度之内，小角度光路在Y-Z平面上与Z轴的夹角在80度之内。光路122是由LED光 源12发出后射向透镜11的全反射面113，再经过全反射面113反射射向全反射面113和出 射面112的过渡区域114，最后经过折射到达目标区域3，光线集中在上述矩形光斑之内，从 而对中心区域的光进一步增强补偿。
由以上的光路传输原理可以看出，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折 射传输出，另外通过透镜出射曲面的设计可以把光能在照射面上很好的分配，达到照度均 匀性要求。
图9、图10为实施本实用新型方案后的LED路灯达到的效果图，分别为照度分布图 和配光曲线图。由这两张光学效果图可以看出在有效照明范围内，光照度的均匀性能达到 道路照明标准。
本实用新型具有如下优点。
(1)使用本实用新型的透镜，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折射传 输出，因此利用率较高。
(2)本实用新型的透镜的出射曲面的独特设计，可以把光能在照射面上很好的分 配，因此均匀度较高。
尽管业已描述本实用新型的示范实施例，本技术领域：
的技术人员应理解可对这些 实施例作出修改而不超出本实用新型的主旨和精神，本实用新型的范围由所附权利要求
及 其等同物所限定。
权利要求
一种LED路灯透镜，所述透镜安装在LED光源的上方，所述透镜和光源的轴线在同一条直线上，所述透镜包含入射面和出射面、底面、全反射面以及全反射面和出射面的过渡面，其特征在于所述入射面为一个安装所述LED光源的长条形凹坑，凹坑的中部为对称的圆弧线、自由曲线垂直拉伸的长条形曲面，其两端部为圆弧面或自由曲面；出射面为一个沿着X轴方向弧形凹下、Y轴方向弧形凸出的形状，穿过透镜中心轴的横向截面的出射面轮廓圆弧凸出，穿过透镜中心轴的纵向截面的出射面轮廓中心区域弧形凹下；围绕入射面的全反射面，将光线反射向全反射面和出射面的过渡面。
2. 如权利要求
1所述的路灯透镜，其特征在于，所述横向截面的正半截面轮廓的线段 包括入射面轮廓包含线段AB、曲线BC，底面轮廓为线段CD，全反射面轮廓为曲线DE，过渡面 轮廓为曲线EF，出射面轮廓为曲线FG。
3. 如权利要求
2所述的路灯透镜，其特征在于，FG曲线由AB与FG线构成二维透镜， 通过Z轴旋转360度，将光源所发出的从0度到a角内的光能重新分配在垂直于LED光源 中心线的目标平面的半径为r圆形区域内，中心线经过圆形区域的中心；FG上点坐标为(x， z)，光线从光源点到(x，z)经过FG上的点(xO，zO)，从而确定光源发出光线的顶角，在顶角 内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据微分方程解出FG曲线的 数值解界定。
4. 如权利要求
1所述的路灯透镜，其特征在于，所述纵向截面的正半截面轮廓的线段 包括入射面轮廓包含线段ab，底面轮廓为线段bc，全反射面轮廓为曲线cd，过渡面轮廓为 曲线de，出射面轮廓为曲线ef。
5. 如权利要求
4所述的路灯透镜，其特征在于，ef曲线由ab与ef线构成二维透镜，通 过Z轴旋转360度，将光源所发出的从0度到13角内的光能重新分配在垂直于LED光源中 心线的目标平面的半径为r圆形区域内，中心线经过圆形区域的中心；假设光源为点光源， ef上点坐标为(y， z)，光线从光源点到(y， z)为入射光线，从(y， z)到目标平面为出射光 线，在顶角内的光通量等于对应的目标平面内圆形面积乘以照度，最终根据微分方程解出 ef曲线的数值解；其中ab为根据LED实际配光所做调整的自由曲线界定。
6. 如权利要求
1所述的路灯透镜，其特征在于光源所发出的光路包括小角度光路和 大角度光路，所述小角度光路为从光源发出经过入射面折射到达出射面，然后再经过折射， 从出射面出射，在一定距离的垂直水平面内形成矩形光斑的所有光线组成，所述小角度光 路在所述横向截面上所述透镜的垂线的夹角在80度之内，所述小角度光路在所述纵向平 面上与所述垂线的夹角在80度之内；所述大角度光路为从光源发出经过入射面折射到达 外围全反射面，经过反射后到达过渡面，然后再经过折射从透镜出射的光路。
7. 如权利要求
1所述的路灯透镜，其特征在于，所述透镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、 聚碳酸酯或者玻璃。
8. 如权利要求
1所述的路灯透镜，其特征在于，所述透镜为单个安装或多个阵列在和 LED对应的发光面板上。
专利摘要
本实用新型提供了一种LED路灯透镜，所述透镜安装在LED光源的上方，所述透镜和光源的轴线在同一条直线上，所述透镜包含入射面和出射面、底面、全反射面以及全反射面和出射面的过渡面，所述入射面为长条形凹坑，凹坑的中部为对称的圆弧线、自由曲线垂直拉伸的长条形曲面，其两端部为圆弧面或自由曲面；出射面为一个沿着X轴方向弧形凹下、Y轴方向弧形凸出的花生米形状，穿过透镜中心轴的横向截面的出射面轮廓圆弧凸出，穿过透镜中心轴的纵向截面的出射面轮廓中心区域弧形凹下；围绕入射面的全反射面，将光线反射向全反射面和出射面的过渡面。使用本实用新型的透镜，LED光源所发出的光能都能经过透镜曲面的折射传输出，因此利用率较高。
文档编号F21W131/103GKCN201531819SQ200920078378
公开日2010年7月21日 申请日期2009年7月16日
发明者宋金德, 张茂胜, 王祥伟, 秦大为, 董维胜, 陈志忠 申请人:江苏伯乐达光电科技有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan