一种LED配光出射结构及带有该结构的发光道钉制造技术

LED配光出射结构及带有该结构的发光道钉，LED配光出射结构包括为透明壳体（1）、LED发光体（2）、分隔体（3）、空气层（4），LED发光体（2）通过分隔体（3）封装在透明壳体（1）内，经过LED发光匹配及光路传输及光学结构参数相互匹配并结合成型结构形成特定的光学结构，使主光束产生设计所需目标值的向上位移（ΔH），并且所在的法线方向主光束的出射点落在出光面（1a）中位高度的位置形成发光中心并沿水平方向出射，以达到出射光水平方向出射为主、向上方向出射为辅、出射光总体出射效率高的空间光场优化分布的目的，并达到结构强度和防水功能等物理指标，利于壳体的成型工艺，可以更合理地分配水平和向上方向的光强比例。

【技术实现步骤摘要】
一种LED配光出射结构及带有该结构的发光道钉
本专利技术涉及发光器材领域，具体涉及一种LED配光出射结构及带有该结构的发光道钉。技术背景具有发光诱导或辅助照明作用的发光器材包括地埋灯、发光道钉、太阳能地灯、轮廓标等，以机动车驾驶员或行人为主要服务对象。作为公共场合应用为主的发光器材，相比普通发光器材，不仅要考虑其发光性能，还要满足抗压和耐冲击等结构强度要求和防水要求，还应满足一些安全规范，因此对这些发光器材的综合性能要求更苛刻。其中以应用最广泛的发光道钉为代表。其中，发光道钉又叫发光突起路标，主要安装在道路路面，具有发光功能，主要对机动车驾驶员和行人起视觉诱导或提示作用，也可以充当路面辅助照明器材。现有的发光道钉大多以凸起式发光道钉为主，主要安装在路面上，道钉最高处不得高出路面25mm；也有地埋式发光道钉，使用时其主体埋入路面，其顶部与路面平齐或略微凸出路面，一般不超过10mm，最好控制在8mm以下，凸出路面部分越低越好，否则车辆颠簸过大，有安全隐患。而且发光道钉必须要达到足够的结构强度，如耐车轮碾压抗压10吨以上，否则易破损。现有道钉的主要发光结构主要归纳有两大类：其中一类发光道钉的发光结构多采用在道钉保护壳体侧部穿孔平射，穿孔灯珠大致按原方向直接透出水平发光，发光在水平方向的光强占比较大，远程发光好，对行车有好处，但由于LED发光光强分布接近180°的朗伯体，其LED发光的径向发光光被穿孔部的壳体遮挡，因而光能利用率低，发光面积变小，对近程行人的发光效果差，不能很好地做到人车兼顾。绝大多数凸起道钉都采用这类结构，而地埋道钉由于隆起高度限制，上述穿孔平射光出射结构不适用于地埋道钉。为了保证凸起式道钉发光的可见距离和远距离发光效果，同时保证道钉的抗压抗冲击性能，需要一定的顶壳厚度并使道钉突出路面较高，这样不仅会因为车轮冲击造成车辆颠簸，而且容易造成行人或非机动车驾驶员的磕碰，诱发交通事故，且不防铲雪、工艺繁琐、容易进水。其中另一类发光道钉的发光结构多采用倒V型LED配光出射结构，即其出光槽的顶部呈倒V型，草帽灯珠竖直向上或斜向上设置在出光槽内，发出的光通过折射、反射和透射向上和侧向发光。绝大多数地埋道钉都采用这类结构。其主要存在以下主要缺陷：1、灯珠竖直向上或斜向上，其光强分布不合理，很大一部分光能透过出光槽的顶尖部位向上出射，发光在向上方向的光强占比较大，水平方向光能利用率低，导致远程发光的可视距离短，辨识度低，而且近程发光在一定角度内容易对行人和非机动车驾驶员造成光干扰和眩光，易诱发交通事故。由于修订后的道路照明规范规定，高等级道路、城市主干道上照度条件提高到20—30Lux之间。而且照明技术的发展，车灯的亮度也在提高，因此，现有发光道钉水平方向发光亮度低，辨识度差的局限性，已不能满足新的道路发展现状。2、倒V型出光槽的顶尖部位壁厚较薄，结构强度较小，抗压和抗冲击能力不够，容易造成壳体损坏；3、倒V型出光槽不利于注塑工艺，倒V型出光槽应力大，容易开裂，且为了达到较好的远程发光效果，需要调试草帽灯珠的安装角度和定位要求高，给装配带来不便，导致产品一致性差。综上所述，现有的以发光道钉为代表的发光器材都存在LED配光出射结构不合理，导致道钉的发光导光部分的光场分布不合理，且不利于光强占比的合理分配，水平光能利用率低，远程发光效果差，近程发光易造成光干扰，不能很好地做到人车兼顾，在现有交通规范的尺寸限制范围内，不利于器材扁平化和集约化，结构强度差，不抗压和抗冲击，制造和安装繁琐等主要缺点，满足不了新的发展需求，成为业内亟待解决的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种经过发光匹配及光路传输及光学结构参数相互匹配并结合成型结构形成特定的光学结构以达到主光束产生设计所需目标值的向上位移（ΔH），并且所在的法线方向主光束的出射点落在出光面（1a）中位高度的位置形成发光中心，并沿水平方向出射，以达到出射光水平方向出射为主、向上方向出射为辅、出射光总体出射效率高的空间光场优化分布的目的，并达到结构强度和防水功能等物理指标的LED配光出射结构及带有该结构的发光道钉，可以在有限的高度差范围内【即出光面的高度（H2）】光出射结构侧向（水平方向）出射光占比高、远程视距更远、近程对人眩光少、出射光场分布更优化、总体光能利用率更高、能够满足环境照度更高的场所使用，特别在30LUX照度条件下依然有高辨识度，还可以提高设计余量使结构更优化（可以降低透明壳体的隆起高度且外带有斜面，以减少车辆的颠簸和人员的磕碰且壳体不易磨损，也可以增加透明壳体的面层的厚度，以增加结构强度）、抗压抗冲击性能强、结构强度高、利于壳体的成型工艺，特别适用于发光道钉为代表的发光器材，可以更合理地分配水平方向和向上方向发光光强比例以更适合车辆和行人不同需求的侧重点，可以很好地做到人车兼顾，更好地满足交通发展新需求。本专利技术从光学、LED器件特征、结构力学、成型工艺（特别是注塑成型）、交通设计规范和道路照明规范等出发，借助光学理论计算和软件仿真设计及实验验证，创造性地提出了一种更适合发光道钉的的LED配光出射结构和基于该光出射结构的优点及其所能提供的设计余量制造的性能更优越的发光道钉，其主要核心创造性在于：1、利用LED器件的发光特性，经过发光匹配、光路的光学设计和光学结构参数相互匹配，并与特定的物理结构相结合，创新设计了LED配光出射结构，特别在入光面、出光面及其角度、高度、宽度、两者间的侧壁厚度等光学参数和物理结构匹配，通过特定的参数匹配，来达到出射光空间光场（强）的优化分布的目的，以实现所需设计的预期目的，并且使之利于工艺成型和生产实施，LED发光体发出的光先经过聚光透镜聚光，以达到LED水平方向光强占比高，再根据折射定理n1sinα1=n2sinα2，经过内、外壁的二次折射发生偏转或向上位移ΔH后水平出射（θ1＞θ2，且θ3＞0时，LED的主出射光经透明壳体折射后发生偏转并发生向上位移ΔH，并沿水平方向出射；θ1=θ2，且θ3=0时，LED的主出射光经透明壳体折射后发生向上位移ΔH，并沿水平方向出射），从而能够提高道钉结构的设计余量（ΔH）可以使道钉的壳体结构更紧凑，即可以降低道钉安装时露出路面的高度，减少对车辆的颠簸感和对行人及非机动车驾驶员的磕碰，也可以在保证道钉可视距离的前提下，在满足交通规范的尺寸限制范围内，可以通过增大顶壳的厚度，进一步增加道钉的结构强度和抗压抗冲击性能。2、根据折射定理n1sinα1=n2sinα2，透明壳体透明材料的光折射率n、入光面（1b）的倾角一（θ1）、出光面（1a）的倾角二（θ2）、LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ3）、容置槽（1c）顶部最高点到透明壳体（1）顶面的厚度（H1）、出光面（1a）的高度（H2）、入光面（1b）的高度（H3）、入光面（1b）和出光面（1a）之间的平均宽度（W）满足LED发光体的大部分光能沿水平出射的条件（在20LUX到30LUX的照度条件下，LED发光体发光时人沿水平方向依本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LED配光出射结构，所述的LED配光出射结构包括为透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、分隔体（3）、空气层（4），其特征在于：/n所述的透明壳体（1）为带有局部高度差结构的、其顶部具有一定厚度且顶部的主体呈平面或接近平面的、设有向下开口的容置腔体的、折射率n在1.45到2.1之间的透明壳体，透明壳体（1）顶部的内底面上带有内陷的容置槽（1c）充当出光槽，所述的容置槽（1c）的内壁至少在其一端设有一个可供光入射的、有一定高度(H3)和倾角一(θ1)的入光面（1b），入光面（1b）所对应部位的壳体外表面为可供光出射的、有一定高度(H2)和倾角二(θ2)的出光面（1a），入光面（1b）和出光面（1a）之间有足够的平均宽度(W)；/n所述的LED发光体（2）设在容置槽（1c）内，LED发光体（2）通过聚光透镜聚光后沿法线方向的主光束呈仰角(θ3)，在入光面（1b）形成一定的入射角；LED发光体（2）的周围设有分隔体（3），并至少在LED发光体（2）与入光面（1b）之间形成空气层（4）；LED发光体（2）通过分隔体（3）封装在透明壳体（1）内，形成LED发光参数、光路传输及光学结构参数相互匹配并结合成形结构以完成配光设计的特定的光学结构；/n所述的光学结构为LED发光体（2）发出的光主要经聚光透镜聚光后的法线方向主光束以水平方向或与水平方向呈小角度仰角（θ3）从透明壳体（1）上的倾角一(θ1)的入光面（1b）发生第一次折射入射、再经一定宽度W的透明壳体（1）侧壁传播后从透明壳体（1）上的倾角二(θ2)的出光面（1a）发生第二次折射，以达到主光束产生设计所需目标值的向上位移（ΔH），并且其法线方向主光束的出射点落在出光面（1a）中位高度的位置形成发光中心，并沿水平方向出射，以达到出射光水平方向出射为主、向上方向出射为辅、出射光总体出射效率高的空间光场优化分布，并达到结构强度、结构高度差限制和防水功能等所需物理指标的LED配光出射结构。/n...

【技术特征摘要】
20200413 CN 20201028768051.一种LED配光出射结构，所述的LED配光出射结构包括为透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、分隔体（3）、空气层（4），其特征在于：
所述的透明壳体（1）为带有局部高度差结构的、其顶部具有一定厚度且顶部的主体呈平面或接近平面的、设有向下开口的容置腔体的、折射率n在1.45到2.1之间的透明壳体，透明壳体（1）顶部的内底面上带有内陷的容置槽（1c）充当出光槽，所述的容置槽（1c）的内壁至少在其一端设有一个可供光入射的、有一定高度(H3)和倾角一(θ1)的入光面（1b），入光面（1b）所对应部位的壳体外表面为可供光出射的、有一定高度(H2)和倾角二(θ2)的出光面（1a），入光面（1b）和出光面（1a）之间有足够的平均宽度(W)；
所述的LED发光体（2）设在容置槽（1c）内，LED发光体（2）通过聚光透镜聚光后沿法线方向的主光束呈仰角(θ3)，在入光面（1b）形成一定的入射角；LED发光体（2）的周围设有分隔体（3），并至少在LED发光体（2）与入光面（1b）之间形成空气层（4）；LED发光体（2）通过分隔体（3）封装在透明壳体（1）内，形成LED发光参数、光路传输及光学结构参数相互匹配并结合成形结构以完成配光设计的特定的光学结构；
所述的光学结构为LED发光体（2）发出的光主要经聚光透镜聚光后的法线方向主光束以水平方向或与水平方向呈小角度仰角（θ3）从透明壳体（1）上的倾角一(θ1)的入光面（1b）发生第一次折射入射、再经一定宽度W的透明壳体（1）侧壁传播后从透明壳体（1）上的倾角二(θ2)的出光面（1a）发生第二次折射，以达到主光束产生设计所需目标值的向上位移（ΔH），并且其法线方向主光束的出射点落在出光面（1a）中位高度的位置形成发光中心，并沿水平方向出射，以达到出射光水平方向出射为主、向上方向出射为辅、出射光总体出射效率高的空间光场优化分布，并达到结构强度、结构高度差限制和防水功能等所需物理指标的LED配光出射结构。


2.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的入光面（1b）为斜面型入光面（1ba）或为弧面或球面或自由曲面型入光面（1bb），所述的出光面（1a）为斜面型出光面（1aa）或为弧面或球面或自由曲面型出光面（1ab）。


3.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的入光面（1b）为斜面型入光面（1ba）或弧面或球面或自由曲面型入光面（1bb），所述的出光面（1a）为弧面或球面或自由曲面型出光面（1ab），入光面（1b）的曲率小于出光面（1a）的曲率，两者形成兼具聚光功能的形状。


4.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的入光面（1b）为斜面型入光面（1ba），出光面（1a）为斜面型出光面（1aa）或为弧面或球面或自由曲面型出光面（1ab）。


5.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的LED发光体（2）发光时法向方向的主光束与出光面（1a）相交在出光面（1a）的中心点附近形成发光中心并沿水平方向出射，LED发光体（2）发光沿水平方向在出光面（1a）上形成直径大于或等于LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）并小于或等于出光面（1a）高度（H2）的、较大面积的完整的发光光斑。


6.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的入光面（1b）的倾角（θ1）、出光面（1a）的倾角（θ2）、LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ3）与出光面（1a）中位处的侧壁水平宽度(W)使LED发光体（2）的主光束产生向上位移（ΔH），向上位移（ΔH）、LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）、出光面（1a）的高度（H2）、LED发光体（2）与其容置槽（110c）顶壁的间距（H4）满足：H1+H4≥ΔH≥H1+H4+Φ-H2，或者H2-Φ/2≥ΔH≥Φ/2。


7.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的结构满足：
所述的入光面（1b）的倾角一（θ1）呈锐角，所述的出光面（1a）的倾角二（θ2）呈锐角，其中，85°≥θ1≥θ2≥18°且30°≥θ1—θ2≥0°；
LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ3）满足30°≥θ3≥0°，LED发光体（2）经过聚光透镜聚光后的光强半值角θ1/2满足30°≥θ1/2≥5°；
或者所述的LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ3）、LED发光体（2）的经过聚光透镜后的光强半值角θ1/2满足：θ1/2≥θ3≥0°。


8.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的出光面（1a）高位处的侧壁水平宽度（W1）、出光面（1a）低位处的侧壁水平宽度（W2）、容置槽（1c）顶部最高点到透明壳体（1）顶面的厚度（H1）满足：20mm≥W2≥W1≥2H1≥6mm；
所述的LED发光体（2）与其容置槽（110c）顶壁的间距为LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）的1/5；
所述的LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）、出光面（1a）的高度（H2）、入光面（1b）的高度（H3），满足：10mm≥H2≥Φ，12mm≥H3≥Φ，10mm≥Φ≥3mm。


9.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的出光面（1a）为斜面或弧面；
LED发光体（2）出射光法线方向主光束以小角度仰角（θ3）入射中的仰角（θ3）满足：30°≥θ3≥0°，入光面（1b）的倾角一（θ1），出光面（1a）的倾角二（θ2）满足θ1≥θ2，且倾角一（θ1）、倾角二（θ2）与出光面（1a）中位处的侧壁水平宽度三者匹配，使之满足：LED发光体（2）法线方向主光束经入光面或/和出光面折射后产生向上位移并沿水平方向出射；
或者入光面（1b）的倾角（θ1）、出光面（1a）的倾角（θ2）、LED发光体（2）出射光法线方向主光束的仰角（θ3）、透明壳体（1）的折射率n满足：
n2·sin2(θ1-θ2)=cos2(θ1+θ3)+cos2θ2-2·cosθ2·cos(θ1+θ3)·cos(
θ1-θ2)，使LED发光经折射后产生向上位移并沿水平方向出射。


10.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的出光面（1a）为斜面或弧面；
LED发光体（2）出射光法线方向主光束沿入光面垂直入射、经出光面折射偏转后产生向上位移并沿水平方向出射；
或者入光面（1b）的倾角（θ1）、出光面（1a）的倾角（θ2）、LED发光体（2）出射光法线方向主光束的仰角（θ3）、透明壳体（1）的折射率n满足：
30°≥θ3≥7.5°，θ1=90°—θ3，
cosθ2·(n·cosθ3-1)=n·sinθ2·sinθ3，
使入射光垂直入射入光面后，经出光面折射偏转后产生向上位移并沿水平方向出射。


11.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的出光面（1a）为斜面或弧面；
LED发光体（2）出射光法线方向主光束沿水平方向入射、经相同倾角的入光面（1b）和出光面（1a）折射后产生向上位移（ΔH）并沿水平方向出射；
或者入光面（1b）的倾角（θ1）、出光面（1a）的倾角（θ2）、LED发光体（2）出射光法线方向主光束的仰角（θ3）满足：
θ3=0°，60°≥θ1=θ2≥30°，使入射光水平入射入光面后，经出光面折射偏转后产生向上位移（ΔH）并沿水平方向出射；
所述的光束向上位移量ΔH=W1·sinθ1·cosθ1·[1-sinθ1/(n2-cos2θ1)1/2],且向上位移（ΔH）、LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）、出光面（1a）的高度（H2）、LED发光体（2）与其容置槽（110c）顶壁的间距（H4）满足：H2-Φ/2≥ΔH≥Φ/2。


12.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的出光面（1a）为弧面，其弧形高度、弧形跨度之比在1:12和1:4之间。


13.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的LED发光体（2）从透明壳体（1）外表面出射光在水平方向和向上方向的光强之比在3:1至12:1之间。


14.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）为注塑成型壳体，所述的透明壳体（1）内壁为利于注塑成型工艺的结构；所述的注塑成型壳的体壁厚度在3mm到15mm之间。


15.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的入光面（1b）和出光面（1a）之间较厚部位设有利于注塑成型的缺口（1d），缺口（1d）内设有与壳体材质折射率相近的透明导光胶固化成型物。


16.根据权利要求1所述的LED配光出射结构，其特征在于：所述的容置槽（1c）为沿光出射方向的横截面呈倒U形或下敞口梯形的容置槽，或为沿光出射方向的纵截面呈下敞口梯形或倒V形的容置槽，或为由多个沿光出射方向的横截面呈倒U形或下敞口梯形的容置槽单元排列成阵列式容置槽，或为由多...

【专利技术属性】
技术研发人员：方显峰，
申请(专利权)人：方显峰，
类型：发明
国别省市：浙江;33