一种LED格栅灯及其使用的透镜制造技术

本实用新型专利技术提供了一种ＬＥＤ格栅灯及其使用的透镜，所述透镜的底面中部设有用于容纳ＬＥＤ的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，该半球面为所述灯光入射面；透镜的灯光出射面为自由曲面；所述ＬＥＤ格栅灯包括灯盘、散热器、栅格架、驱动电源、ＬＥＤ和透镜，多个ＬＥＤ贴装在散热器底面，透镜安装散热器底面上，且ＬＥＤ的中心轴与透镜的中心轴重合，ＬＥＤ置于透镜底部的半球形凹坑内，散热器的两端设有用于安装灯盘的螺孔；所述灯盘的底座上设有多个灯孔，每个ＬＥＤ及透镜穿过灯孔并伸到灯盘里面，在灯盘的底面设置格栅架。采用所述透镜后，可合理控制光线分布使光斑呈圆形，且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及LED灯
，具体涉及用于LED室内灯具的透镜及包含该透镜 的格栅灯。
技术介绍
LED作为新一代照明技术，代替白炽灯、卤钨灯、荧光灯、金卤灯等传统灯具的趋势 日益明显，但由于室内照明直接影响着人们眼睛的健康，所以对室内灯具光的质量的要求 比较高，而LED本身发出的光其分布近似为朗伯型，即发光强度随角度变化呈余弦分布， 在目标平面上形成的光斑通常是一个不均匀的圆斑中心处很亮，而在径向衰减很快，所 以很不适合直接作光源来使用，而且由于其眩光问题的存在，如果直接作为光源使用，会 对眼睛会造成很大的伤害，所以需要对LED做二次配光设计才能作为照明光源使用。授权公告号CN2908987Y的格栅灯设计是利用漫反射膜来解决眩光问题，但光能利用 率低，光能损失比较大。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种LED格栅灯及其使用 的透镜。本技术采用如下技术方案一种用于LED格栅灯的透镜，优选地，所述透镜由透明材料制成，透明材料为PC或 PMMA 。透镜包括入射面及出射面。所述透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的凹 坑，凹坑的坑壁面是半球面，构成所述的入射面；透镜的外表面是自由曲面，构成出射面。 该自由曲面的形状由如下方法确定以过该透镜中心轴的截面为基准面，为建立坐标系，中心轴为Z轴，垂直于中心轴的 方向为X轴，因为透镜最终实现的是在目标平面上的均匀圆形光斑，所以可知透镜为中心 轴对称形状。因此我们只需要求出自由曲面在XZ平面上所对应的曲线，然后将其绕Z轴 旋转一周即可得到所需的自由曲面。 具体步骤(1)由能量守恒求出最大照射半径。 fc A ^ ^其中P为目标平面的光照度，R为最大照射半径，I为LED中心光强，-为LED出射光线与Z轴的夹角。 -的范围为， I的取值由于所使用的LED而定；(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与夹角-的关系式。;r/(1-cos ;r/2) Px;rxi 其中xd为夹角为^的光线经透镜折射后照射到目标平面 所对应的点的X轴坐标。可以得到(3)由折射公式求出曲线上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入 射光线的交点得到曲线上点的坐标。 步骤如下折射公式为 —2w(c^,玩)]iV=6^—w/巧其中n为折射率，z'H为入射光线单位向量，o&为出射光线单位向量，力为单位法向首先将目标平面X轴方向上的区间划分为m等分，分别为xd到xd,对应于光线与Z轴的夹角为-到-，可以通过步骤2求出^到^。以沿着z轴正向的光线为起始光线，假设照射高度为h，透镜自由曲面的中心距离LED的距离为d，则由这两 点的坐标可通过折射公式求出起始点的法向量N(Nx,Ny,Nz)。由法向量和起始点坐标求出切线为z—d=0 ，此为1式；角度为^的直线方程为 Z=cot(^)X此为2式；起始点即第l点的坐标为(0， d);由上面1式和2式所得的两直线相交，其交点就是曲线上第2点的坐标(x，z);以此类推第m点所对应的直线方程为z=COt]x，所对应的切线方程为 Nx (x-x)十Nz (z-z)=0(4)由第3步可得到曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合可以得到所要曲线，然后 将曲线绕z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。把通过步骤(3)计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，先选定好旋转轴，然后把 曲线绕轴旋转一周，即得所需要的自由曲面。其特征在于m的取值越大，步骤(3)得到 所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。本技术另外还提供如下技术方案 一种LED格栅灯，包括灯盘，散热器，栅格架， 外插式恒流驱动电源，LED光源及透镜。LED采用贴片式白光大功率LED， LED通过用高导热胶均匀贴装在散热器底面，在每 个LED上面放置透镜，LED的中心轴与透镜的中心轴重合，LED置于透镜底面的半球凹5面内，透镜透过硅胶扣在散热器上。每条散热器的俩端有螺孔，与灯盘之间通过螺杆固定， 灯盘的底座根据LED排列位置钻孔，能够让散热器上的LED及其外置的透镜伸到灯盘里 面，在灯盘的底面放置格栅，每一个栅格对应一个LED以及透镜，栅格的侧面为倾斜的梯 形平面，此平面与灯盘底面的夹角为三十度，这样LED的光线经过透镜折射出射后，不会 被栅格的侧面反射，所以栅格只起到防眩光的作用，而没有影响LED灯具的光照均匀性。 格栅的侧面设置弹簧钩，与格栅灯盘的侧面连接。散热器设有若干散热鳍片。本技术具有如下有益效果本技术提供一种LED室内灯具所用透镜，通过透 镜的外表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域称为一圆形均匀照明面，从而 使LED灯具能符合室内照明的光分布与照度要求；提供一种包含此透镜的LED格栅灯， 其照度均匀性良好，无眩光，对眼睛无伤害。采用所述透镜后，合理控制光线分布使光斑 呈圆形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光，光线柔和，室 内光效给人感觉舒适，可以广泛用于室内家居，或者办公场所照明，是一种绿色、节能、 环保的照明产品。附图说明图l为实施方式中透镜立体图2为求解透镜自由曲面的坐标系原理图3为计算机拟合曲线图4为过透镜中心轴的截面图5为格栅灯中LED、透镜、散热器的安装关系示意图6为单个栅格尺寸示意图7为中栅格架示意图8为格栅灯侧视图9为格栅灯正视图IO为格栅灯后视图ll为格栅灯立体图12为实施方式中格栅灯的光强分布图13为实施方式中照射目标平面的照度分布图14为实施方>式中目标平面上圆形光照区直径方向上的照度值分布图。具体实施方式以下结合附图对本技术的实施作进一步的详细描述。室内照明光源易被人眼直视，因此要求其发光面尽可能柔和、均匀、不刺眼；另一方 面，室内照明光源需要有相当的发散角,尤其是室内主光源，其照明范围大,通常发散角要大 于120° 。为实现这些要求同时保证光源光能的充分利用，必须使LED发出的光均匀发散到目标平面上，而且目标区域没有突出的亮点才可以满足应用。这样的话，假设要照射的 目标平面距离灯具为2米，那么它的照射区域至少为半径3.5米的圆形均匀光斑。如图1 与图4所示，透镜包括入射面101及出射面102。所述透镜的底面中部设有一供LED安装 于其内的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面101，构成所述的入射面；透镜的外表面是自由曲 面102，构成出射面。所述透镜采用透光性能非常好的透明材料制成，如PC或PMMA 。 透镜的设计方法如下建立如图2所示的坐标系，因为透镜最终实现的是在目标平面上的均匀圆形光斑，所 以可知透镜为中心轴对称形状。因此我们只需要求出XZ平面上所对应的曲线201然后将 其绕Z轴旋转一周即可得到所需的曲面。 具体步骤(1)由能量守恒求出最大照射半径。2 r丄Pnir = 2;r丄 / cos ^ sin #0其中P为目标平面205的光照度，R为最大照射半径，I为LED中心光强，^为LED出射光线与Z轴的夹角。例如选用cree公司的一款发光通量为1001m，光强分布为朗波分布的芯片，它的中心 光强I为31.8cd,若LED照射到平面上的目标半径为3.5m，则目标平面均匀的光照度为 2.61ux。(2)通过能量对应关系求出目标平本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于ＬＥＤ格栅灯的透镜，包括灯光入射面、灯光出射面和环形底面，其特征在于透镜的底面中部设有用于容纳ＬＥＤ的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，该半球面为所述灯光入射面；透镜的灯光出射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定：　所述透镜为中 心轴对称形状，所述凹坑的中心轴为透镜的中心轴，以过该透镜中心轴的截面为基准面，建立坐标系，其中，中心轴为Ｚ轴，原点在中心轴且与中心轴垂直的方向为Ｘ轴，通过将所述自由曲面在ＸＺ平面上所对应的曲线绕Ｚ轴旋转一周即得到自由曲面的形状；　所述 曲线通过如下步骤确定：　（１）由能量守恒求出最大照射半径：　２π∫↓［０］↑［Ｒ］Ｐｒｄｒ＝２π∫↓［０］↑［π／２］Ｉｃｏｓφｓｉｎφｄφ，其中Ｐ为目标平面的光照度，Ｒ为最大照射半径，Ｉ为ＬＥＤ中心光强，φ为ＬＥＤ出射光线与Ｚ 轴的夹角；　（２）通过能量对应关系求出目标平面上的点与夹角φ的关系式：　πＩ（１－ｃｏｓ↑［２］φ）／πＩ（１－ｃｏｓ↑［２］π／２）＝Ｐ×π×ｘｄ↑［２］／Ｐ×π×Ｒ↑［２］，其中ｘｄ为夹角为φ的光线经透镜折射后照射到目标平面 所对应的点的Ｘ轴坐标，　求得ｘｄ＝Ｒ＊＊＊　（３）由折射公式求出所述曲线上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，　所述折射公式为：［１＋ｎ↑［２］－２ｎ（ｏ＊ｔ.ｉ＊）］↑［１／ ２］＊＝ｏ＊ｔ－ｎｉ＊，其中ｎ为折射率，ｉ＊为入射光线单位向量，ｏ＊ｔ为出射光线单位向量，＊为单位法向量；　（４）由步骤（３）得到所述曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合得到所述曲线，然后将所述曲线绕Ｚ轴旋转一周可得到最终的自由曲面。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪，张奇辉，王海宏，张小凡，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：81[]