自由曲面透镜配光的大功率LED灯头制造技术

本发明专利技术提供了一种自由曲面透镜，其包括由透明材质形成基本呈碗体结构的本体（１），本体底部向内凹陷形成可容置ＬＥＤ的光源区（２），围绕所述光源区（２）的本体（１）表面为折射面（３），所述本体（１）的外周为可反射光线的全反射面（４），所述本体上部为光线的出射面（５）；所述光源区（２）发出的光源穿过折射面（３）进入本体（１）后，光线直接穿过出射面（５）和／或光线经全反射面（４）反射后再次进入本体进而穿过出射面（５）。本发明专利技术还提供了包含所述自由曲面透镜的自由曲面配光的大功率ＬＥＤ灯头。本发明专利技术的ＬＥＤ灯头可在不同使用场合灵活、高效率地由设计者来进行配光。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自由曲面透镜，以及包含该自由曲面透镜的自由曲面 配光的大功率LED灯头。
技术介绍
随着发光二极管(简称LED)技术的快速发展，LED在照明领域的 应用日益受到半导体界和照明界的关注。国外LED应用产品近年来发展 迅速，主要应用领域包括手机背光源、显示屏幕、汽车照明、建筑装饰照 明、信号照明等。大功率LED己被大量用于汽车照明中，汽车照明约占 LED市场的18%左右。信号照明是LED单色光应用比较广也比较早的一 个领±或，约占LED应用市场的4n/。左右。LED照明的特点低耗电量、寿命 长、彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围，且单色性好，色彩纯度 高，LED的光效远高于白炽灯。上世纪90年代末期，LED的高并行化、 超高亮度和全色化使其应用领域也日趋广泛，逐步走向室内外照明领域。由于LED特殊的发光原理，使其在达到同等亮度情况下所需消耗的 能量远远低于普通白炽灯，随着关键技术的进一步突破，白光LED的光 效有可能达到150-200 lm/W，大大超越现在所有照明光源的光效，在照明 方面有着诱人的前景。相对于传统的电光源产品。LED的能耗较低，是一 种节能光源，LED技术在照明应用领域的突破给高效照明家族又增添了新 的力量。采用LED有很多优点，可靠性高、减少维护、无污染、所需电 源简单、容易控制、寿命长，而且节省能源。普通LED外形尺寸只有5mm，由于单个LED功率小，发光强度不够， 若将若干个LED灵活地组合，并采用聚光的方法可以提高发光强度。现 在世界各国的科研人员正在努力突破高亮度需求与相对低的光通量、低成 本的矛盾等技术难关，特别是如何提高LED在普通照明领域的应用时的 光通量，使LED为照明节电提供更广阔的拓展空间。目前所采用的路灯大多采用高低压钠灯或卤素灯作为各种灯例如路 灯的光源，但是，其存在能耗比较大、使用寿命较短以及在低温情况下不容易启动等不足之处，在LED技术广泛应用的情况下，老式路灯有被LED 路灯替代的趋势。由于LED路灯的使用，促使了本领域相关技术人员对与LED路灯配 套使用的路灯灯头的改进。图1是目前常规LED路灯的侧视图，从图可 见，该路灯灯头上的LED简单排列，这种灯受LED照射角度e的限制， 灯头的照射角度仅为(3，常常难以满足路灯照明设计要求。CN2842182Y 公开了一种LED路灯，如图2所示，其包括LED、安放板和灯头，安放 板和灯头固定在一起，LED是密集安装在安放板上，安放板中部为平面板， 周边向LED的安装面反方向翘起形成夹角，使LED的安装面呈凸起状， 这种设计可有适度地增加照射角度|3。以上图1和图2两种方案仅简单从 机械设计的角度来提高照射角，在设计、安装以及使用场合适应性上具有 明显局限性。CN2896006Y公开了一种高亮度LED路灯的灯头，如图3 所示，其包括灯壳、LED光源、拱形支架、散热条，LED光源上分别设 置有透镜支架，各透镜支架内放置有透镜，且透镜的底部透过透镜支架套 住高亮度LED光源的发光头。这种路灯灯头通过机械的拱形支架设计和 光学的透镜设计可以更好地适应各种道路照明。但是，上述现有LED路 灯主要是通过简单的LED阵列式排列、或采用改变LED安装基板的轮廓 来改善LED的利用效果、或采用透镜进行简单的光学配光来满足国家标 准，在光学效率方面的考虑都仅限于一般的改善，而且很多都难以满足路 灯的国家标准，这些LED灯头难以满足根据不同适用场合灵活、高效地 进行配光的基本要求，事实上，在配光方面，透镜的折射面及全反射面的 面型对光学效率的影响很大，如果不进行光学配光来优化出最佳的自由曲 面，光学效率是不会很高的。因此，提供一种可以灵活、高效地进行配光的LED灯头，特别是路 灯灯头，以满足不同适用场合，仍是本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有的LED灯头在不同使用场5合配光不灵活、效率不高的缺点。为了解决上述问题，本专利技术第一方面提 供了一种具有自由曲面的透镜。本专利技术第二方面提供了采用所述透镜制作的LED灯头。实现本专利技术的技术基础是LED技术、自由曲面加工检测技术和透镜 注塑成型技术的发展。在这些技术基础上，本专利技术从整体上采用了专用的 或者通用的光学软件来建立LED光源的模型，建立具有自由曲面面型的 光学透镜模型来优化配光，通过光学软件的优化来优化出最佳的自由曲面 面型，具有该自由曲面面型的透镜可以提高光的透过率和LED组成的路 灯的光光转换效率，从而进一步节省能源，改善了 LED透镜单元之间光 照度叠加不均匀的状况，改善各个路灯间衔接中的光强均匀的问题。在以 上技术和思路的基础上，本专利技术人实现了所要求的光学配光需求，有利于 光学设计配光来满足路灯的国家标准，经过优化配出来的光更具均匀性。一方面，本专利技术提供的透镜，其特征是，其包括由透明材质形成基本 呈碗体结构的本体，本体底部向内凹陷形成可容置LED的光源区，围绕 所述光源区的本体表面为折射面，所述本体的外周为可反射光线的全反射 面，所述本体上部为光线的出射面；所述光源区发出的光源穿过折射面进 入本体后，光线直接穿过出射面和/或光线经全反射面反射后再次进入本 体进而穿过出射面。根据本专利技术透镜的进一步构思，优选地，所述本体在从中轴线剖切后， 所述折射面基本呈M形。更优选地，所述本体在从中轴线剖切后，所述 M形的上部呈平滑的V形。当然，根据不同适用场合，折射面还可以为 半圆形、门框形等。根据本专利技术透镜的进一步构思，优选地，所述出射面向本体内凹陷。 更优选地，所述本体在从中轴线剖切后，所述出射面向本体内凹陷呈弧形。 当然，根据不同适用场合，出射面也可以是水平面或者向上凸起，只要能 满足使用场合的具体需要。根据本专利技术透镜的进一步构思，优选地，在本体上部为多个阵列排列 并向内凹陷呈弧形的出射面。更优选地，所述阵列排列的出射面包括的弧 形凹陷为4、 9、 16、 25或36个。本领域技术人员理解，更特别的弧形凹 陷阵列也包括在本专利技术的范围内，例如2个以上任何数目的弧形凹陷构成的阵列，只要使用场合需要，通过注塑成型工艺即可制造出来。根据本专利技术透镜的进一步构思，优选地，所述折射面、全反射面、出 射面、或者这上述三个面的任意组合为自由曲面。所述的自由曲面是本 领域技术人员公知的，并且通常理解为任何可以或者不可以用数学公式表 达的曲面。本专利技术透镜的折射面、全反射面和出射面组合所形成的总体自 由曲面可根据出射光的光线方向需要而容易地改变，而光线方面取决于具 体的使用场合，例如，高速公路路灯、乡间公路路灯、广场灯等的光线射 向要求是不同的，这些差异可通过适当地改变透镜的注塑模具即可实现， 还不需要在复杂的路灯安装场合来调节。根据本专利技术透镜的进一步构思，优选地，所述的本体还可以包括一个或多个支腿。该支腿可以方便地将透镜与LED固定安装，或者可以方便 地将透镜安装在LED灯头的安装板上。根据本专利技术透镜的进一步构思，所述本体的材质可以为任何透光的材 质，优选是可以通过注塑成型工艺制造透镜的材质；更优选地，所述本体 的材质为亚克力(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。另一方面，本专利技术提供的LED灯头，其由一个或多个发光单元构成， 所述发光单元包括本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透镜，其特征在于，其包括由透明材质形成基本呈碗体结构的本体（１），本体底部向内凹陷形成可容置ＬＥＤ的光源区（２），围绕所述光源区（２）的本体（１）表面为折射面（３），所述本体（１）的外周为可反射光线的全反射面（４），所述本体上部为光线的出射面（５）；所述光源区（２）发出的光源穿过折射面（３）进入本体（１）后，光线直接穿过出射面（５）和／或光线经全反射面（４）反射后再次进入本体进而穿过出射面（５）。

【技术特征摘要】
1、一种透镜，其特征在于，其包括由透明材质形成基本呈碗体结构的本体(1)，本体底部向内凹陷形成可容置LED的光源区(2)，围绕所述光源区(2)的本体(1)表面为折射面(3)，所述本体(1)的外周为可反射光线的全反射面(4)，所述本体上部为光线的出射面(5)；所述光源区(2)发出的光源穿过折射面(3)进入本体(1)后，光线直接穿过出射面(5)和/或光线经全反射面(4)反射后再次进入本体进而穿过出射面(5)。2、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述本体(l)在从中轴 线剖切后，所述折射面(3)基本呈M形。3、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述出射面(5)向本体 (l)内凹陷。4、 根据权利要求3所述的透镜，其特征在于，所述本体(l)在从中轴 线剖切后，所述出射面(5)向本体(1)内凹陷呈弧形。5、 根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述本体(l)上部为多 个阵列排列并向内凹陷呈弧形的出射面(5)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李荣彬，杜雪，蒋金波，张志辉，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]