[發明專利]一種LED路燈二次光學透鏡及其設計方法

無效

• 申請號: 201010205870.4
• 申請日: 2010-06-12
• 公開（公告）號: CN101858557A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 肖志松;黃安平;鄧思盛;朱放;鄭曉虎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21W131/103;F21Y101/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及LED照明應用領域，特別涉及一種LED路燈二次光學透鏡及其設計方法。

背景技術

隨著節能減排，綠色環保的發展趨勢，LED(Light?Emitting?Diodes，發光二極管)以其節能環保、發光效率高、壽命長、顯色指數高等優點，得到越來越廣泛的應用，LED作為一種新型的固體光源，在城市道路照明光源方面大有取代傳統路燈光源(高壓鈉燈、高壓汞燈及金鹵燈等)的趨勢。

然而，LED路燈的發光是由單一的LED光源(完成一次封裝的LED芯片)組合而成，由于一般應用于路燈的LED光源屬于朗伯光源，發光方向性強，在距離路面一定高度且垂直于路面發光時，只能在路面上形成一個較小的圓形光斑，亮度由圓心向外急劇降低，光照均勻性低，因此需要加以二次光學設計，使其在路面上形成一個接近矩形的較大的均勻光斑，因為只有矩形光斑才能在路面上實現無縫連接，均勻照滿整條道路，達到最佳照明效果。

選用透鏡進行二次光學設計是最直接有效的方法，但是現有技術往往只進行透鏡的外表面設計，而忽視了透鏡基面中央用于放置LED光源的凹面(內表面)的設計。只針對外表面的透鏡設計限制了透鏡對LED發出光方向和光斑形狀的改善，不能很好地控制出射光線的分布，從而使得照射到路面上形成的光斑形狀不接近理想的矩形，而且均勻性不佳。

現有技術的第二個不足是沒有考慮到實際道路應用時路燈安裝在道路一側的邊緣，而非道路中央，采用對稱設計的現有技術便不能在這種場合發揮作用，因為現有技術在路面形成的光斑是相對路燈安裝位置前后、左右分別對稱的，而路燈處于道路邊緣，這樣必然會有很大一部分光照射在路面之外，造成光能的浪費，降低了光效。而僅僅通過路燈頭傾斜放置不但不能完善的解決這個問題，還造成路面光斑形狀的變形，由矩形改變成了梯形，使得照明均勻度下降。

因此，有必要提供一種改良的LED路燈二次光學透鏡及其基于內表面設計的透鏡構造設計方法，以便克服現有技術的不足。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，并且提供一種照明效果很好的，能夠支持多數路燈安裝方式的一種LED路燈二次光學透鏡及其基于內表面設計的透鏡構造設計方法。

一種LED路燈二次光學透鏡，其特征在于：

具有一外表面，一基面和一內表面，三者共同界定出所述透鏡的整體構造；

所述外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成；

所述基面為一平面，基面與所述外表面相交，形成基面的邊界線；

所述內表面位于所述基面的中央，由非半球形的、在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向這兩個方向上的曲率半徑不相同的特殊曲面內凹形成；

所述內表面相對于一條垂直于所述基面且通過基面中心的法線前后、左右分別對稱；

所述外表面存在一個通過所述外表面的兩個局部橢球面的橢球中心連線的對稱面，該對稱面與基面的夾角為60°～90°。

所述的一種LED路燈二次光學透鏡設計方法分為以下幾個步驟：

第一步、根據LED朗伯光源的發光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初始條件，依據折射定律和能量守恒定律，先假定LED光源為點光源，所述透鏡內表面為半球形內凹，光源位于內表面球心處，然后利用能量守恒原理和折射定律可以簡單的計算出所述二次光學透鏡的外表面為典型的類似雙球型的高次自由曲面，由于考慮到高次自由曲面的工程實現難度，將其簡化為所述的外表面由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成。

第二步、因為在上述計算外表面形狀時用到了點光源等近似方法，而實際LED光源為體光源，所以需要對計算得出的所述透鏡的整體構造進行一些修改，特別是透鏡內表面的形狀，方案是確定所述外表面形狀不變，通過修改所述內表面形狀使透鏡能達到出光均勻分布的要求以及調控光斑大小、形狀。

具體方法為(見圖9軟件流程圖)：

(1)、始終確定透鏡的外表面形狀為由兩個局部橢球面及其之間的過度面組成，這是本發明進行內表面修改的基礎，因為這種形狀的外表面基本保證了路面上能形成近矩形的光斑，剩下的優化工作是通過修改內表面形狀改善均勻度以及根據實際要求調控光斑大小和形狀；

(2)、根據道路照明的實際要求，例如對照明區域面積大小的要求等，確定大致的內表面沿道路方向和垂直于道路方向兩個方向上的截面輪廓線的曲率半徑值的范圍；

(3)、在上述范圍內選定任意兩個值，利用市場上已有的建模軟件建立內表面3D模型；

(4)、將上述模型導入到市場上已有的光學設計軟件中，并與已確定的外表面模型組合成為透鏡模型進行光線追跡，并分析測試得到的結果；