一种ＬＥＤ路灯二次光学透镜及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种ＬＥＤ路灯二次光学透镜，该透镜具有一外表面，一基面和一内表面，三者共同界定出所述透镜的整体构造；所述外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；所述基面为一平面，基面与所述外表面相交，形成基面的边界线；所述内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这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成；所述内表面相对于一条垂直于所述基面且通过基面中心的法线前后、左右分别对称；所述外表面存在一个通过所述外表面的两个局部椭球面的椭球中心连线的对称面，该对称面与基面的夹角为６０°～９０°。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LED照明应用领域，特别涉及一种LED路灯二次光学透镜及其设计方法。
技术介绍
随着节能减排，绿色环保的发展趋势，LED (Light Emitting Diodes,发光二极管) 以其节能环保、发光效率高、寿命长、显色指数高等优点，得到越来越广泛的应用，LED作为 一种新型的固体光源，在城市道路照明光源方面大有取代传统路灯光源(高压钠灯、高压 汞灯及金卤灯等)的趋势。然而，LED路灯的发光是由单一的LED光源(完成一次封装的LED芯片)组合而 成，由于一般应用于路灯的LED光源属于朗伯光源，发光方向性强，在距离路面一定高度且 垂直于路面发光时，只能在路面上形成一个较小的圆形光斑，亮度由圆心向外急剧降低，光 照均勻性低，因此需要加以二次光学设计，使其在路面上形成一个接近矩形的较大的均勻 光斑，因为只有矩形光斑才能在路面上实现无缝连接，均勻照满整条道路，达到最佳照明效^ o选用透镜进行二次光学设计是最直接有效的方法，但是现有技术往往只进行透镜 的外表面设计，而忽视了透镜基面中央用于放置LED光源的凹面(内表面)的设计。只针对 外表面的透镜设计限制了透镜对LED发出光方向和光斑形状的改善，不能很好地控制出射 光线的分布，从而使得照射到路面上形成的光斑形状不接近理想的矩形，而且均勻性不佳。现有技术的第二个不足是没有考虑到实际道路应用时路灯安装在道路一侧的边 缘，而非道路中央，采用对称设计的现有技术便不能在这种场合发挥作用，因为现有技术在 路面形成的光斑是相对路灯安装位置前后、左右分别对称的，而路灯处于道路边缘，这样必 然会有很大一部分光照射在路面之外，造成光能的浪费，降低了光效。而仅仅通过路灯头倾 斜放置不但不能完善的解决这个问题，还造成路面光斑形状的变形，由矩形改变成了梯形， 使得照明均勻度下降。因此，有必要提供一种改良的LED路灯二次光学透镜及其基于内表面设计的透镜 构造设计方法，以便克服现有技术的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，并且提供一种照明效果很好的，能 够支持多数路灯安装方式的一种LED路灯二次光学透镜及其基于内表面设计的透镜构造 设计方法。一种LED路灯二次光学透镜，其特征在于具有一外表面，一基面和一内表面，三者共同界定出所述透镜的整体构造；所述外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；所述基面为一平面，基面与所述外表面相交，形成基面的边界线；3所述内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 路延伸方向这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成；所述内表面相对于一条垂直于所述基面且通过基面中心的法线前后、左右分别对 称；所述外表面存在一个通过所述外表面的两个局部椭球面的椭球中心连线的对称 面，该对称面与基面的夹角为60° 90°。所述的一种LED路灯二次光学透镜设计方法分为以下几个步骤第一步、根据LED朗伯光源的发光特性和在路面上照射形成均勻的矩形光斑的初 始条件，依据折射定律和能量守恒定律，先假定LED光源为点光源，所述透镜内表面为半球 形内凹，光源位于内表面球心处，然后利用能量守恒原理和折射定律可以简单的计算出所 述二次光学透镜的外表面为典型的类似双球型的高次自由曲面，由于考虑到高次自由曲面 的工程实现难度，将其简化为所述的外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成。第二步、因为在上述计算外表面形状时用到了点光源等近似方法，而实际LED光 源为体光源，所以需要对计算得出的所述透镜的整体构造进行一些修改，特别是透镜内表 面的形状，方案是确定所述外表面形状不变，通过修改所述内表面形状使透镜能达到出光 均勻分布的要求以及调控光斑大小、形状。具体方法为(见图9软件流程图)(1)、始终确定透镜的外表面形状为由两个局部椭球面及其之间的过度面组成，这 是本专利技术进行内表面修改的基础，因为这种形状的外表面基本保证了路面上能形成近矩形 的光斑，剩下的优化工作是通过修改内表面形状改善均勻度以及根据实际要求调控光斑大 小和形状；(2)、根据道路照明的实际要求，例如对照明区域面积大小的要求等，确定大致的 内表面沿道路方向和垂直于道路方向两个方向上的截面轮廓线的曲率半径值的范围；(3)、在上述范围内选定任意两个值，利用市场上已有的建模软件建立内表面3D 模型；(4)、将上述模型导入到市场上已有的光学设计软件中，并与已确定的外表面模型 组合成为透镜模型进行光线追迹，并分析测试得到的结果；(5)、根据上述测试结果，修改选定的曲率半径值，根据修改后的值再次建立内表 面3D模型，然后重复循环(4)、(5)步，直至修改得到的内表面组成的透镜的模拟结果满足 上述实际要求。由于上述一次循环可在短时间内完成，所以能在不花费很多时间的条件下， 重复进行大量的循环模拟过程，从而得到合适的透镜内表面形状。对于不同的道路照明实际要求，内表面的形状也相应的不同。一般而言，所述内表 面是由非半球形的，在沿道路延伸方向和垂直于道路延伸方向这两个方向上的曲率半径不 相同的特殊曲面内凹形成，不同方向上曲率半径的不同导致各方向上出射光分布的不同， 从而在路面上形成的光斑大小也不同。第三步、将所述内、外表面和基面简单组合在一起，三者共同界定出所述透镜的整 体构造。本专利技术的优点在于利用上述LED路灯二次光学透镜，通过选用不同的特殊设计 的内表面，调控在路面上形成的光斑大小、形状，满足不同道路照明区域的实际需求，在路4面上照射形成亮度较为均勻的矩形光斑，覆盖所有照明要求的区域，并能有效减少照明要 求区域之外的无用光分布，提高光能利用率，节约能源；而且，采用独特的可调非对称设计， 使得在不同的道路路灯安装条件下，都可以满足上述优点。通过所述的基于内表面设计的 透镜构造设计方法得到的LED 二次光学透镜不但可以满足道路照明标准，还可以通过修改 所述内表面形状，调控在路面上形成的光斑大小、形状，满足不同道路照明区域的实际需 求。附图说明图1是本专利技术一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例从顶部观察的立体图；图2是图1所示一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例从底部观察的立体图；图3是图1所示一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例的俯视图；图4是图3所示A-A面剖视图；图5是图3所示B-B面剖视图；图6是本专利技术一种LED路灯二次光学透镜第二个实施例从顶部观察的立体图；图7是本专利技术一种LED路灯二次光学透镜第三个实施例的侧视图；图8是本专利技术一种LED路灯二次光学透镜第三个实施例的极坐标配光曲线图；图9是本专利技术一种LED路灯二次光学透镜的内表面设计流程图。图中具体标号如下10、11、光学透镜 20、21、外表面 201、202、局部椭球面203、过度面30、基面40、41、内表面具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。实施例一 参考图1至图5，本专利技术提供的一种LED路灯二次光学透镜第一个实施例具有一外 表面20、一基面30和一内表面40，三者共同界定出所述透镜第一个实施例的整体构造10 ；所述外表面20由两个局部椭球面201、202及其之间的过度面203组成；所述基面30为一平面，基面30与所述外表面20相交，形成基面的边界线；所述内表面40位于所述基面30的中央，由非半球形的、在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＬＥＤ路灯二次光学透镜，其特征在于：该透镜具有一外表面，一基面和一内表面，三者共同界定出所述透镜的整体构造；　　所述外表面由两个局部椭球面及其之间的过度面组成；　　所述基面为一平面，基面与所述外表面相交，形成基面的边界线；　　所述内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这两个方向上的曲率半径不相同的特殊曲面内凹形成；　　所述内表面相对于一条垂直于所述基面且通过基面中心的法线前后、左右分别对称；　　所述外表面存在一个通过所述外表面的两个局部椭球面的椭球中心连线的对称面，该对称面与基面的夹角为６０°～９０°。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖志松，黄安平，邓思盛，朱放，郑晓虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]