宽配光角LED路灯透镜单元及模块

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宽配光角LED路灯透镜单元及模块\n【技术领域】\n[0001] 本发明涉及LED领域，尤其是指一种用于宽配光角LED路灯透镜单元及模块。\n【背景技术】\n[0002] 时下用于LED路灯通常配备有诸如现有花生形状、马鞍形的自由曲面二次光学透镜单元，其虽然可以实现长方形的比较均匀的光斑分布且光强的远场角度分布(配光曲线)呈圆滑的蝙蝠翼形状，但其最终配光在垂直道路方向上的角度都比较窄，一般仅能达到60°～70°左右。而此类LED路灯对应使用于3～4车道以上的比较宽的马路时，其灯头仰角往往需要调到超过15°才可以实现整条马路的均匀照明。而对于广场照明和交通交汇路口的照明时，则更多要求路灯在垂直于道路方向具有较宽的配光角度，而现有LED路灯透镜单元均无法满足此要求。\n[0003] 而现有LED路灯的规模不断扩大，其旧有的配光透镜(或反光杯)是单独一个个分别扣在LED上的，灯具外面再加一块防水防尘的透明灯罩。这种灯具有两个明显的缺点：\n一是配光元件的装配和定位工艺比较复杂，每一个配光元件都需要加一个装配卡脚才可以准确牢固地安装在铝基板上，增加了生产成本；二是灯具外还需多加一透明灯罩保护，从而多了一次菲涅尔损耗，对于灯罩采用塑胶材料的情况其损耗可高达8％～14％，这无疑对于LED路灯来说是个不小的浪费。因此，设计一种兼顾防水防尘及高出光效率的模块式配光透镜是技术上一次很好的更新。透镜的模块化设计，其可以简化装配工艺，并且省略了灯具外面的灯罩，达到了降低成本和增加光效的目的。然而采用了模块式的配光透镜会对于透镜模块的耐热要求比单个分立式的二次光学透镜要高一些(因为单个分立式的二次光学透镜，其装配卡脚可以帮助散热)；对于模块式的配光透镜，业界有采用耐高温的光学PC材料的，但由于一般光学级PC其透过率也只有大约86％，损耗相对比较大。\n【发明内容】\n[0004] 本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种配光更合理，透过率高且配光角度更宽的宽配光角LED路灯透镜单元及模块。\n[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种宽配光角LED路灯透镜单元，它于内、外侧分别设有入射面及出射面，其改进之处在于：所述出射面为一个凸出的自由曲面，其将LED光束配成沿水平X方向成±75°分布，沿Y方向成±45°分布；所述入射面为一个内凹的自由曲面，该内凹自由曲面在X方向、Y方向均为圆弧，且Y方向的曲率半径大于X方向曲率半径；\n[0006] 上述结构中，所述入射面的内凹自由曲面于X方向剖面为一半圆弧，于Y方向剖面为优弧。\n[0007] 上述结构中，所述入射面的内凹自由曲面于X方向半圆弧剖面的圆心与Y方向优弧剖面的圆心相对于内凹曲面满足物像共轭条件；\n[0008] 上述结构中，所述透镜单元的出射面与入射面间设有一平面衔接；于透镜单元两端各设有卡脚，透镜单元于连接卡脚部分设有竖直的连接面。\n[0009] 上述结构中，所述出射面的凸出自由曲面于X-X方向的剖面轮廓线符合以下入射光及出射光配光条件\n[0010] \n[0011] \n[0012] \n[0013] 所述出射面的凸出自由曲面于Y-Y方向的剖面轮廓线符合以下入射光及出射光配光条件\n[0014] \n[0015] \n[0016] 本发明还涉及一种宽配光角LED路灯透镜模块，它包括依次排列的多个透镜单元，每个透镜单元于内、外侧分别设有入射面及出射面，其改进之处：所述出射面为一个凸出的自由曲面，其将LED光束配成沿水平X方向成±75°分布，沿Y方向成±45°分布；所述入射面为一个内凹的自由曲面，该内凹自由曲面在X方向、Y方向均为圆弧，且Y方向的曲率半径大于X方向曲率半径；\n[0017] 上述结构中，所述入射面的内凹自由曲面于X方向剖面为一半圆弧，于Y方向剖面为优弧，且入射面的内凹自由曲面于X方向半圆弧剖面的圆心与Y方向优弧剖面的圆心相对于内凹曲面满足物像共轭条件；\n[0018] 上述结构中，所述出射面的凸出自由曲面于X-X方向的剖面轮廓线符合入射光及出射光配光条件\n[0019] \n[0020] \n[0021] ；所述出射面的凸出自由曲面于Y-Y方向的剖面轮廓线符合入射光及出射光配光条件\n[0022] \n[0023] \n[0024] \n[0025] 上述结构中，所述透镜模块的多个透镜单元按相同方向排列且相邻单元间设有连接平台，于平台下方设有隔条；于透镜模块四周设有外框，外框底部设有防水用凹槽及用于连接固定的装配柱。\n[0026] 相比于常见的LED路灯透镜单元及模块，本发明的有益效果在于提供了一种用于LED路灯的可在垂直于道路方向具有较宽的配光角度的光学透镜单元及透镜模组，其在垂直于道路方向的配光角度为90°(±45°)，其在沿着道路方向的配光角度约为\n146°(±73°)，道路方向的截止光线角度控制在±75°以内。名词解释：自由曲面是指任意非传统、XY非对称的、没有固定方程式、由点对点精确配光计算的数据组连接而成的曲面。\n【附图说明】\n[0027] 下面结合附图详述本发明的具体结构\n[0028] 图1为本发明的透镜单元长轴的剖视图\n[0029] 图2为本发明的透镜单元短轴的剖视图\n[0030] 图3为本发明的透镜单元长轴配光示意图\n[0031] 图4为本发明的透镜单元短轴配光示意图\n[0032] 图5为本发明的透镜单元配光曲线图1\n[0033] 图6为本发明的透镜单元配光曲线图2\n[0034] 图7为本发明的透镜模组结构立体图\n[0035] 图8为本发明的透镜模组结构底视图\n[0036] 图9为本发明的透镜模组在12米远处的光斑图\n[0037] 图10为本发明的透镜模组配光曲线图1\n[0038] 图11为本发明的透镜模组配光曲线图2\n【具体实施方式】\n[0039] 下面结合附图对本发明具体实施例进行详细阐述。\n[0040] 如图1、2所示，一种宽配光角LED路灯透镜单元，其所适合的LED为各种郎伯型分布的高功率LED，它于内、外侧分别设有入射面12及出射面11，出射面11与入射面12间设有一平面13衔接，安装时LED芯片发光面21的位置与透镜的底部平面13处于同一水平；\n于透镜单元两端各设有卡脚，其用于将透镜固定于PCB板上，而透镜单元于连接卡脚部分设有竖直的连接面，其作用为方便注塑的时候脱模。\n[0041] 上述透镜单元的出射面11为一个凸出的自由曲面，其将LED光束配成沿水平X方向(此处X方向定义为LED路灯装配后沿着道路的方向)成±75°分布，沿Y方向(此处对应定义Y方向为路灯装配后垂直于道路的方向)成±45°分布，而入射面12为一个内凹的自由曲面，该内凹的自由曲面不是球面，其形状类似“眼睛”，分别在X和Y两个方向具有不同的曲率半径，具体的说该内凹自由曲面在X方向、Y方向均为圆弧，且Y方向的曲率半径大于X方向曲率半径，最优的入射面12的内凹自由曲面于X方向剖面为一半圆弧，其圆心位置对应安装LED芯片发光面21的中心，于Y方向剖面为优弧，该优弧的圆心位于LED芯片发光面21的中心点的下方，入射面12的内凹自由曲面于X方向半圆弧剖面的圆心与Y方向优弧剖面的圆心相对于内凹曲面满足物像共轭条件，即从LED芯片发光面21的中心(即入射面12的内凹自由曲面于X方向半圆弧圆心)发出的光线，经过入射面12后，经其折射光线的反向延长线交于LED芯片发光面21下方的点(即入射面12的内凹自由曲面于Y方向优弧圆心)，LED芯片发光面21下方的点(即入射面12的内凹自由曲面于Y方向优弧圆心)为从LED芯片发光面21的中心(即入射面12的内凹自由曲面于X方向半圆弧圆心)点相对于入射面12的虚像，两者相对于入射面12满足物像共轭条件。\n[0042] 参见图3为出射面11的凸出自由曲面于X-X方向的剖面轮廓线对单根光线的配光示意图，从LED芯片发光面中心O点发出的光线OP经过入射面12，由于入射面12在X-X剖面的轮廓线为一以O点为圆心的圆弧，光线经过该面之后，其折射光线PQ的方向保持不变，假设其与光轴OZ的夹角都为θ、折射光线PQ(即进入出射面11的入射光)经过出射面\n11的折射后，其出射光线QR与光轴OZ的夹角为δ。则沿X-X剖面方向，出射面11的剖面轮廓线符合入射光入射角θ及出射光出射角δ配光条件：\n[0043] 所述出射面的凸出自由曲面于X-X方向的剖面轮廓线\n[0044] \n[0045] \n[0046] 根据上表的配光条件，出射面11在X-X剖面的结构轮廓线各点的坐标值可以由积分迭代法通过数值计算的方法算出，然后再用计算机辅助设计软件即可生成出射面于X-X剖面方向的全部特征轮廓曲线参数。\n[0047] 参见图4为出射面11的凸出自由曲面于Y-Y方向的剖面轮廓线对单根光线的配光示意图，从LED芯片发光面中心O点发出的光线OS，其与光轴OZ的夹角为α，经过入射面12折射之后，折射光线(即进入出射面11的入射光)为ST，其与光轴OZ的夹角为β，折射光线ST的反向延长线O′S交光轴OZ于O′点，其位于LED芯片中心O点的下方，O′为O点相对于曲面12的虚像，O点及O′点相对于曲面12满足物像共轭条件。从O点发出的α＝90°的边缘光线，经过曲面12后，其折射光线与光轴的夹角β在60°～80°之间，这里优选为75°。以O′为虚像的折射光线，经过上表面11再次折射之后，其出射光线TV与光轴OZ的夹角为ρ。则沿Y-Y剖面方向，出射面11的剖面轮廓线符合入射光入射角θ及出射光出射角δ配光条件：\n[0048] \n[0049] \n[0050] 根据上表的配光条件，出射面11在Y-Y剖面的结构轮廓线各点的坐标值可以由积分迭代法通过数值计算的方法算出，然后再用计算机辅助设计软件即可生成出射面于Y-Y剖面方向的全部特征轮廓曲线参数。当获取透镜单元的X-X剖面特征轮廓曲线及Y-Y剖面特征轮廓曲线后，透镜的实体通过3维曲面造型软件即可建立。\n[0051] 本发明的透镜单元的3维模型建立后，将透镜连同LED光源模型输入到光度分析软件中进行光线追迹及光度分析。\n[0052] 首先以CREE的XP-E作为光源模型，单颗LED的输出光通量为单颗100流明每瓦，接收屏位于12米远。单颗透镜在12米远处的照度分布等高线图如9所示，光斑分布在长约±39米，宽约±12米的范围。接收屏上接收到的光通量为99.2098092434229390流明，即透镜的理论计算效率达到99.2098092434229390％，考虑透镜本身材料的吸收，即透镜上下表面的菲涅尔损耗，实际透镜的出光效率可超过90％。\n[0053] 在参见图5、6的透镜单元配光曲线图，可以看出配光曲线的峰值光强一半位置处的光束角宽度：X方向(即沿着道路的方向)约为±73°，Y方向(即垂直于道路的方向)约为±45°。配光曲线呈圆滑的蝙蝠翼分布。\n[0054] 本发明还涉及一种宽配光角LED路灯透镜模块，如图7、8，它包括个依次排列的多个本发明所提及的透镜单元1，多个透镜单元1按相同方向排列且相邻单元间设有连接平台3，于平台3下方设有隔条4用来保证安装LED的位置，在透镜模块四周设有外框5，外框\n5上开有螺丝孔51及定位用装配柱52，在外框5底部还设有防水用凹槽53，该透镜模块底部的左右上下4个角位还有向上凹陷的平台131，分别占据一个透镜单元或3个透镜单元，凹陷的空位用来排布电源控制线。另外透镜单元底部还留出了4个向上凹陷的圆形沉孔\n132，其为固定PCB版的螺丝帽位。\n[0055] 上述宽配光角LED路灯透镜模块的每个透镜单元1均于内、外侧分别设有入射面及出射面，透镜单元1的出射面为一个凸出的自由曲面，其将LED光束配成沿水平X方向(此处X方向定义为LED路灯装配后沿着道路的方向)成±75°分布，沿Y方向(此处对应定义Y方向为路灯装配后垂直于道路的方向)成±45°分布，而入射面为一个内凹的自由曲面，该内凹的自由曲面不是球面，其形状类似“眼睛”，分别在X和Y两个方向具有不同的曲率半径，具体的说该内凹自由曲面在X方向、Y方向均为圆弧，且Y方向的曲率半径大于X方向曲率半径，最优的入射面的内凹自由曲面于X方向剖面为一半圆弧，其圆心位置对应安装LED芯片发光面21的中心，于Y方向剖面为优弧，该优弧的圆心位于LED芯片发光面\n21的中心点的下方，入射面的内凹自由曲面于X方向半圆弧剖面的圆心与Y方向优弧剖面的圆心相对于内凹曲面满足物像共轭条件，即从LED芯片发光面21的中心(即入射面的内凹自由曲面于X方向半圆弧圆心)发出的光线，经过入射面后，经其折射光线的反向延长线交于LED芯片发光面21下方的点(即入射面的内凹自由曲面于Y方向优弧圆心)，LED芯片发光面21下方的点(即入射面的内凹自由曲面于Y方向优弧圆心)为从LED芯片发光面21的中心(即入射面的内凹自由曲面于X方向半圆弧圆心)点相对于入射面的虚像，两者相对于入射面满足物像共轭条件。\n[0056] 透镜单元1沿X-X剖面方向其出射面的剖面轮廓线符合入射光入射角θ及出射光出射角δ配光条件：\n[0057] \n[0058] \n[0059] 透镜单元1沿Y-Y剖面方向其出射面的剖面轮廓线符合入射光入射角β及出射光出射角ρ配光条件：\n[0060] \n[0061] \n[0062] \n[0063] 由4×6个透镜单元构成的透镜模组作为测试实验，这里以CREE的XP-E作为光源模型，单颗LED的输出光通量为单颗100流明每瓦，接收屏位于12米远。整块透镜阵列模组在12米远处的光斑分布在长约±39米，宽约±12米的范围。\n[0064] 参见图9为透镜模组在12米远处的光斑图，可以看出其为一长方形光斑，具有较少的杂光，眩光控制得较好。\n[0065] 图10、11为上述4×6透镜模组的配光曲线图，可以看出配光曲线的峰值光强一半位置处的光束角宽度：X方向(即沿着道路的方向)约为±73°，Y方向(即垂直于道路的方向)约为±45°。配光曲线呈圆滑的蝙蝠翼分布，其形状和单个透镜的配光曲线一样，只是发光强度按照透镜的个数乘了一个比例。\n[0066] 需要指出的是，本发明不限于上述实施方式，任何熟悉本专业的技术人员在基于本发明技术方案内对上述实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围内。