一种LED反射配光出射结构及含有该结构的发光道钉制造技术

LED反射配光出射结构及含有该结构的发光道钉，LED发光体（2）通过防水分隔体（4）封装在透明壳体（1）敞口容置（出光）槽下方并朝向镜面反射层（3），利用LED器件的发光特性，经过光路的光学设计和参数匹配，创新设计了LED反射配光出射结构，特别在反射面、入光面、出光面及其角度、高度、宽度、后两者间的侧壁厚度等光学结构和物理结构匹配，形成LED发光体（2）发光经聚光透镜聚光后，部分光投射到反射面（1a）上发生镜面反射，反射光经入光面（1b）和出光面（1c）折射出射的、侧向出射光强占比高、能大幅度提高侧向发光亮度、视距远、辨识度高、结构紧凑的光学结构及含有该结构的以发光道钉为代表的发光器材。

【技术实现步骤摘要】
一种LED反射配光出射结构及含有该结构的发光道钉
本技术涉及发光器材领域，具体涉及一种LED反射配光出射结构及含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。其光出射结构主要包括LED水平出射或以一定仰角斜向上出射这两种出射结构。其中的水平出射型结构发光效果虽好，但由于有一些交通规范对道路交通安全器材尺寸（宽度、长度或高度等）的限制,凸起式发光道钉最高处不得高出路面25mm，地埋式发光道钉高出路面一般不超过10mm，最好控制在8mm以下不易于产品扁平化和集约化，特别是高度受局限的地埋式发光道钉为代表的发光器材。而斜向上出射型结构，例如现有地埋式发光道钉的ＬＥＤ的发光主方向斜向上（侧上方）朝向出光面发光，发出的光经过折射、透射出光，虽然结构更加紧凑，但其主要存在以下主要缺陷：一、现有的以发光道钉为代表的斜向上出射型结构的元器件和结构之间没有达到优化配置，光路设计也不尽合理，导致出射光侧向（水平方向）的光能占比低，造成视距短，对汽车驾驶员的发光效果差，仅能满足常规公路的基本需求。而随着道路亮化工程的实施和道路限速的提高及无限速公路的提出，都需求更远发光视距。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。二、现有的斜向上出射型结构，其背向（背向道路车辆主行进方向）的斜向上发光太强，非常刺眼，对背向的汽车驾驶员或行人会造成光干扰，成为交通隐患。三、有人为了提高出射光水平方向的光强占比高，其内部光学结构非常复杂，导致制造成本高，故障率高，特别在交通规范的尺寸限制下，不利于扁平化和集约化。四、而且以道钉为代表的发光器材的现有光出射结构难以精准分配空间光场分布，有时杂散光过多，特别在出射光双向发光时很难分配前后发光光强的比例。综上所述，现有的道路交通发光器材都存在元器件和结构之间没有优化配置，，光路设计也不合理，导致道钉的出射光光场分布不合理，造成侧向或水平方向发光集中度不够，远程发光效果差，发光视距短，远距离辨识度低，而近程发光又易造成光干扰，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等缺点，成为业内亟待解决的难题，而且随着交通技术的发展，特别时无限速公路的发展，对道路诱导安全产品提出了更高的要求，对远程发光效果好且易于扁平化和集约化的道路交通发光器材的需求日益迫切。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题在于提供一种发光匹配及光路传输及光学结构参数相互匹配并结合镜面反射层形成特定的光学结构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反射配光出射结构及含有该结构的以发光道钉为代表的发光器材，可以在有限的高度差范围内大幅度提高侧向（水平方向）发光亮度、能精准分配光场分布和各向的光出射比例、出射光场分布更优化、发光视距远、近程对人眩光少、结构紧凑且抗压强度高、可满足受尺寸等规范限制的发光器材的要求、利于扁平化和集约化生产的、特别适用于发光道钉为代表的发光器材，特别可以满足因道路亮化工程的实施和道路限速的提高及无限速公路的提出对以道钉为代表的道路交通发光器材提出的新要求，在30LUX照度条件下依然有高辨识度。由于其出射光的侧向（水平方向）的光能占比高，能大幅度提高侧向（水平方向）发光亮度，从而发光视距远，在远距离水平方向上能看到更醒目的光斑，因此辨识度很高，利于行车驾驶员，而向上的光强占比小，因此近程发光不刺眼，利于行人，对司机和行人的发光效果都能达到最优化。本技术从光学、LED器件特征、结构力学、成型工艺（特别是注塑成型）、视觉心理学、交通设计规范和道路照明规范等出发，创造性地提出了一种更适合以道钉为代表的道路交通发光器材的LED反射配光出射结构和基于该光出射结构的优点制造的发光性能有大幅度提高的发光器材，其主要核心创造性在于：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，并与结合镜面反射层相结合，创新设计了LED反射配光出射结构，特别在反射面、入光面、出光面及其角度、高度、宽度、入光面和出光面之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，来达到优化出射光强（场）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；采用敞口出光槽，并在其上远离出光面的内侧壁上设置镜面反射层，并使LED发光体的发光主方向朝向上述反射层以一定角度的锐角入射，根据光的反射定理和折射定理n1sinα1=n2sinα2，LED发光体发出光的大部分（半值角内的光）投射到反射层上并发生镜面反射，并在反射面(1a)上产生很亮的反射光斑（而不设有镜面反射层的透明面仅存在部分反射，部分光已折射从背面透射出去），反射后的大部分光经入光面和出光面折射后能沿水平方向出射，而且一部分光在入光面（1b）上发生折射的同时，还有部分光被反射，因此在一定的角度范围内入光面（1b）和镜面反射层（3）之间还存在二次反射，进一步提高了光出射效率，出射光的侧向（水平方向）的光能占比高，能大幅度提高侧向（水平方向）发光亮度，从而发光视距远，在远距离水平方向上在出光面（1c）上能看到更醒目的出射光斑（在20LUX到30LUX的照度条件下，LED发光体发光时人沿水平方向在出光面（1c）上依然可以看到LED反射配光出射结构内的醒目的出射光斑，因此辨识度很高，而不满足本技术光出射条件的常规光出射结构只能看见标识度较低的出射光斑），因此辨识度很高，利于行车驾驶员，而向上的光强占比小，因此近程发光不刺眼，利于行人，对司机和行人的发光效果都能达到最优化，且结构紧凑，利于扁平化和集约化生产。本技术的实施方案是：一种LED反射配光出射结构，所述的LED反射配光出射结构包括透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、镜面反射层（3）、防水分隔体（4）、空气层（5），如图1—2所示，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透明壳体，透明壳体（1）顶部的内底面（内壁）上带有一个或多个内陷的、向下开口的、由上而下逐渐增大的容置槽（利于注塑成型，充当出光槽），所述的敞口容置槽内侧壁至少具有两个呈一定角度相对的内侧壁，其中一个内侧壁充当结合面，其上设有一定倾角θ1【本文中的倾角是包括平面或非平面（弧面、自由曲面等）的广义概念上的整体倾斜程度，例如弧面的倾角是上下沿或左右沿所在平面的倾角或弧面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LED反射配光出射结构，所述的LED反射配光出射结构包括透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、镜面反射层（3）、防水分隔体（4）、空气层（5），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一个或多个内陷的、向下开口的、由上而下逐渐增大的敞口容置槽充当出光槽，所述的敞口容置槽内至少具有两个呈一定角度相对的内侧壁，其中一个内侧壁充当结合面，其上设有倾角一（θ1）的、呈斜面或弧面或可展平的自由曲面的镜面反射层（3）、或者该内侧壁的下方和LED发光体（2）的侧上方之间设有镜面反射层（3），形成具有光反射功能的反射面（1a），其中的另一内侧壁面为可供光入射的、有高度二（H3）和倾角二（θ2）的入光面（1b），入光面（1b）所在部位的壳体外表面为带有高度差的、可供光出射的、有高度一（H2）和倾角三（θ3）的出光面（1c），所述的入光面（1b）与出光面（1c）之间有足够的平均宽度（W）；/n所述的LED发光体（2）通过防水分隔体（4）设在敞口容置槽下方，LED发光体（2）通过聚光透镜聚光后法线方向的主光束呈仰角（θ4），以一定入射角入射到反射面（1a）上；LED发光体（2）的周围设有防水分隔体（4），并至少在LED发光体（2）与敞口容置槽的内壁之间形成空气层（5）；透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、镜面反射层（3）、防水分隔体（4）、空气层（5）一起经过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）发出的光经聚光透镜聚光后，部分光先投射到倾角一（θ1）的反射面（1a）上发生反射并在反射面（1a）上形成明亮的反射光斑，反射后的光在倾角二（θ2）的入光面（1b）上发生折射入射、再经一定宽度（W）的透明壳体（1）侧壁传播后从透明壳体（1）的倾角三（θ3）的出光面（1c）折射出射，沿水平方向观察，在出光面（1c）上形成明亮的出射光斑；部分光直接投射到倾角二（θ2）的入光面（1b）上发生折射入射、再经一定宽度（W）的透明壳体（1）侧壁传播后从透明壳体（1）的倾角三（θ3）的出光面（1c）折射出射的LED反射配光出射结构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种LED反射配光出射结构，所述的LED反射配光出射结构包括透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、镜面反射层（3）、防水分隔体（4）、空气层（5），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一个或多个内陷的、向下开口的、由上而下逐渐增大的敞口容置槽充当出光槽，所述的敞口容置槽内至少具有两个呈一定角度相对的内侧壁，其中一个内侧壁充当结合面，其上设有倾角一（θ1）的、呈斜面或弧面或可展平的自由曲面的镜面反射层（3）、或者该内侧壁的下方和LED发光体（2）的侧上方之间设有镜面反射层（3），形成具有光反射功能的反射面（1a），其中的另一内侧壁面为可供光入射的、有高度二（H3）和倾角二（θ2）的入光面（1b），入光面（1b）所在部位的壳体外表面为带有高度差的、可供光出射的、有高度一（H2）和倾角三（θ3）的出光面（1c），所述的入光面（1b）与出光面（1c）之间有足够的平均宽度（W）；
所述的LED发光体（2）通过防水分隔体（4）设在敞口容置槽下方，LED发光体（2）通过聚光透镜聚光后法线方向的主光束呈仰角（θ4），以一定入射角入射到反射面（1a）上；LED发光体（2）的周围设有防水分隔体（4），并至少在LED发光体（2）与敞口容置槽的内壁之间形成空气层（5）；透明壳体（1）、带有聚光透镜的LED发光体（2）、镜面反射层（3）、防水分隔体（4）、空气层（5）一起经过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）发出的光经聚光透镜聚光后，部分光先投射到倾角一（θ1）的反射面（1a）上发生反射并在反射面（1a）上形成明亮的反射光斑，反射后的光在倾角二（θ2）的入光面（1b）上发生折射入射、再经一定宽度（W）的透明壳体（1）侧壁传播后从透明壳体（1）的倾角三（θ3）的出光面（1c）折射出射，沿水平方向观察，在出光面（1c）上形成明亮的出射光斑；部分光直接投射到倾角二（θ2）的入光面（1b）上发生折射入射、再经一定宽度（W）的透明壳体（1）侧壁传播后从透明壳体（1）的倾角三（θ3）的出光面（1c）折射出射的LED反射配光出射结构。


2.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的LED发光体（2）的法线方向主光束经反射面（1a）反射后在出光面（1c）的出射点位于出光面（1c）的中位高度所在部位并沿水平方向出射，或者所述的LED发光体（2）的法线方向主光束的向上位移量（ΔH）、出光面（1c）的高度H2、LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）满足：H2-Φ/2≥ΔH≥Φ/2。


3.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的入光面（1b）呈斜面或弧面，所述的出光面（1c）为斜面型出光面（1ca）或弧面型出光面（1cb）或球面型出光面或自由曲面型出光面；镜面反射层（3）设在容置槽内侧壁上呈斜面或弧面。


4.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的反射面（1a）所在内侧壁呈斜面或弧面，入光面（1b）呈斜面或弧面，所述的出光面（1c）为弧面型出光面（1cb）或球面型出光面或自由曲面型出光面，所述的入光面（1b）的曲率小于出光面（1c）的曲率，两者形成兼具聚光功能的形状；镜面反射层（3）设在容置槽内侧壁上呈斜面或弧面。


5.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的容置槽为沿光出射方向的纵截面呈倒V形或下敞口梯形的容置槽，反射面（1a）所在内侧壁呈斜面，入光面（1b）呈斜面，出光面（1c）为斜面型出光面（1ca）或弧面型出光面（1cb）或球面型出光面或自由曲面型出光面；镜面反射层（3）设在容置槽内侧壁上呈斜面。


6.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）为注塑成型壳体，容置槽内侧壁的反射面（1a）和入光面（1b）的形状为利于注塑成型的斜面或弧面或自由曲面；透明壳体（1）的壳体最薄处控制在大于等于3mm，最厚处控制在小于等于15mm。


7.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的结构满足：
反射面（1a）的倾角θ1满足75°≥θ1≥30°，入光面（1b）的倾角θ2、出光面（1c）的倾角呈θ3满足75°≥θ2≥45°，30°≥θ2—θ3≥0°；
LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的发光轴向的仰角θ4满足90°≥θ4≥45°，LED发光体（2）经过聚光透镜聚光后的光强半值角θ1/2满足45°≥θ1/2≥5°，LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的发光轴向与反射面（1a）的夹角
θ5满足65°≥θ5≥15°。


8.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的出光面（1c）高位点处的侧壁水平宽度W1、出光面（1c）低位点处的侧壁水平宽度W2、容置槽顶部最高点到透明壳体（1）顶面的厚度H1满足：15mm≥W2≥W1≥2H1≥6mm；
LED发光体（2）的聚光透镜的直径（Φ）、出光面（1c）的高度H2、反射面（1a）在竖直方向上的投影宽度Ｗ4、入光面（1b）在竖直方向上的投影宽度Ｗ5满足：10mm≥H2≥Φ，Ｗ5≥Ｗ4≥1.5Φ，10mm≥Φ≥３mm；入光面（1b）的高度H3、LED发光体（2）的高度Ｈ４满足：15mm≥H3≥Ｈ４。


9.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的入光面（1b）为斜面，所述的出光面（1c）为斜面或弧面，所述的LED法线法向与镜面反射层（3）相交点所在高度与入光面（1b）所在高度一致；
LED发光体（2）出射光法线方向主光束先投射到反射面（1a）上，经反射面（1a）镜面反射后的反射光沿水平方向投射到入光面上，经相同倾角的入光面（1b）和出光面（1c）折射后产生向上位移并沿水平方向出射；
或者所述的入光面（1b）为斜面，反射面（1a）的倾角一（θ1）、入光面（1b）的倾角二（θ2）、出光面（1c）的倾角三（θ3）、LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ4）、透明壳体（1）的折射率n满足：
60°≥θ1≥30°，θ2=θ3，θ4=180°-2θ1，使经反射面（1a）镜面反射后的反射光沿水平方向投射到入光面上，经相同倾角的入光面（1b）和出光面（1c）折射后产生向上位移沿水平方向出射。


10.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的入光面（1b）为斜面，所述的出光面（1c）为斜面或弧面；
LED发光体（2）出射光法线方向主光束先竖直投射到反射面（1a）上，经反射面（1a）镜面反射后的反射光再投射到入光面上，入光面或/和出光面折射后沿水平方向出射；
或者所述的入光面（1b）为斜面，反射面（1a）的倾角一（θ1）、入光面（1b）的倾角二（θ2）、出光面（1c）的倾角三（θ3）、LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ4）、透明壳体（1）的折射率n满足：
θ4=90°，75°≥θ1≥45°，θ2≥θ3，
n2·sin2(θ2-θ3)=sin2(2θ1+θ2)+cos2θ3-2·sin(2θ1+θ2)·cosθ3·cos(θ2-θ3)，使LED发光经镜面反射和折射后沿水平方向出射。


11.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的透明壳体（1）的入光面（1b）为斜面，所述的出光面（1c）为斜面或弧面；
LED发光体（2）出射光法线方向主光束先竖直投射到反射面（1a）上，经反射面（1a）镜面反射后的反射光再垂直投射到入光面上，经出光面折射偏转后沿水平方向出射；
或者所述的入光面（1b）为斜面，反射面（1a）的倾角一（θ1）、入光面（1b）的倾角二（θ2）、出光面（1c）的倾角三（θ3）、LED发光体（2）经聚光透镜聚光后的法线方向主光束的仰角（θ4）、透明壳体（1）的折射率n满足：
θ4=90°，60°≥θ1≥45°，θ2=180°-2θ1，
cosθ3·(1-n·sin2θ1)=n·sinθ3·cos2θ1，使LED发光经镜面反射后垂直投射到入光面上，经出光面折射偏转后沿水平方向出射。


12.根据权利要求4所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：θ1=45°，θ2=θ3，所述的LED发光体（2）设在反射面（1a）竖向投影的下方区域，所述的LED法线法向与镜面反射层（3）相交点所在高度与入光面（1b）所在高度一致，θ4=90°。


13.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的反射面（1a）所在内侧壁呈弧面，所述的镜面反射层（3）结合到其上形成弧面型反射层，其弧形跨度W3、弧形高度H5满足：H5:W3在1:12和1:4之间。


14.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的反射面（1a）所在内侧壁为纵剖面呈弧形的弧面（1ab），镜面反射层（3）结合到其上形成弧面型镜面反射层，LED反射配光出射结构为能使LED发光体（2）发出的光经聚光透镜聚光后，部分光投射到镜面反射层（3）上发生镜面反射和竖向方向聚光的LED反射配光出射结构；或者所述的反射面（1a）所在内侧壁为横剖面呈弧形的弧面（1ac）,镜面反射层（3）结合到其上形成弧面型镜面反射层，LED反射配光出射结构为能使LED发光体（2）发出的光经聚光透镜聚光后，部分光投射到镜面反射层（3）上发生镜面反射和水平方向聚光的LED反射配光出射结构。


15.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的容置槽为由多个沿光出射方向的纵截面呈倒V形或下敞口梯形的容置槽排列成的阵列式容置槽。


16.根据权利要求1所述的LED反射配光出射结构，其特征在于：所述的容置槽内设有单个LED发光体或多个LED发光体排列成...

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