一种集成式大功率封装LED光源光学透镜及使其的路灯

摘要

本发明涉及一种集成式大功率封装LED光源光学透镜及使其的路灯，其特征在于：所述透镜包括x向的光线拉开单元和y向的收光单元，所述x向的光线拉开单元将光线拉伸角度控制在120°-140°之间以照射灯杆与灯杆之间的距离，所述y向的收光单元将光线拉伸角度控制在40°-50°之间以照射路面宽度的方向。本发明透镜由于包括x向的光线拉开单元和y向的收光单元，x向的光线拉开单元将光线拉开120°-140°角度，确保灯杆与灯杆之间道路矩形光斑的要求，符合照度均匀度的要求；y向的收光单元将光线拉伸角度控制在40°-50°之间，以确保道路照明的同时避免与对面路灯光线相互的干涉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学透镜及使其的路灯，尤其是涉及一种集成式大功率封装LED光源光学透镜及使其的路灯。

背景技术

在LED路灯的应用领域中，光源封装方式分为两大类：单晶、集成式封装。从成本及灯具重量角度来看，集成式光源较具优势，但以散热及光学透镜技术角度看，集成式光源难度较高。

单晶可视为点光源，其光学透镜设计容易，目前其二次光学透镜设计已可符合各种道路照明设计要求，但集成式LED光源为面光源，其光学透镜设计难度高，因此其应用于道路照明仍受局限，灯具发光角度不够大，以致于当路灯杆杆距大时，道路路面照度均匀度不理想，甚至不符合道路照明标准。

发明内容

本发明设计了一种集成式大功率封装LED光源光学透镜及使其的路灯，其解决的技术问题是现有LED路灯在进行道路照明时，灯具发光角度不够大，以致于当路灯杆杆距大时，并且道路路面照度均匀度不理想。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案： 

一种集成式大功率封装LED光源光学透镜，其特征在于：所述透镜包括x向的光线拉开单元和y向的收光单元，所述x向的光线拉开单元将光线拉伸角度控制在120°—140°之间以照射灯杆与灯杆之间的距离，所述y向的收光单元将光线拉伸角度控制在40°—50°之间以照射路面宽度的方向。

进一步，所述x向的光线拉开单元的光出射面包括内凹弧面（11）和两个外凸弧面（12），所述内凹弧面（11）位于两个外凸弧面（12）之间并且处在所述透镜外部中心处；所述x向的光线拉开单元的光入射面为带角度弧面（13）。

进一步，所述透镜的带角度弧面（13）上方三分之二到四分之三区域为Fresnel透镜所取代。

进一步，所述y向的收光单元包括光出射面（22）和弧形光入射面（21）。

进一步，带角度弧面（13）剖面为三角形，带角度弧面（13）深度高于弧形光入射面（21）深度。

进一步，透镜材料为钢化玻璃，并且在光入射面及出射面镀一层纳米薄膜。

进一步，所述透镜外部还设有两个相互平行但长度相互不同的a边和b边。

一种LED路灯，包括透镜、透镜固定板（4）、集成芯片固定板（5）、散热鳍片（6）以及LED芯片（7），所述透镜为集成式大功率封装LED光源光学透镜。

该集成式大功率封装LED光源光学透镜及使其的路灯与传统路灯透镜及路灯相比，具有以下有益效果：

（1）本发明透镜由于包括x向的光线拉开单元和y向的收光单元，x向的光线拉开单元将光线拉开120°—140°角度，确保灯杆与灯杆之间道路矩形光斑的要求，符合照度均匀度的要求；y向的收光单元将光线拉伸角度控制在40°—50°之间，以确保道路照明的同时避免与对面路灯光线相互的干涉。

（2）本发明透镜由于使用钢化玻璃，材料稳定，适合户外使用，透光率可达94%—96%之间，再经过纳米镀膜技术，透光率更可达99%，再一次提升灯具发光效率。

（3）本发明由于透镜表面经过纳米镀膜，除了增加透光率外，更可以防止灰尘沾黏在镜面上，在雨后镜面仍可保持干净，维持透光率。

（4）本发明透镜的带角度弧面上方三分之二到四分之三区域为Fresnel透镜所取代，Fresnel透镜利用锯齿性结构缩小透镜厚度，缩小透镜厚度等于减少光在透镜中被吸收增加出光率。

 

附图说明

图1：光线反射和折射示意图；

图2：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜的俯视图；

图3：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜的后视图；

图4：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜的后视面出光图；

图5：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜的侧视图；

图6：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜的侧视面出光图；

图7：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜第二种结构的俯视图；

图8：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜第二种结构的后视图；

图9：本发明LED路灯的主视图；

图10：本发明LED路灯的侧视图；

图11：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜立体结构示意图I；

图12：本发明集成式大功率封装LED光源光学透镜立体结构示意图II；

图13：本发明的配光曲线图；

图14：图13的配光曲线图的直角坐标形式。

 

附图标记说明：

1—路灯透镜；11—内凹弧面；12—外凸弧面；13—带角度弧面；21—弧形光入射面；22—光出射面；3—Fresnel透镜；4—透镜固定板；5—集成芯片固定板；6—散热鳍片；7—LED芯片。

 

具体实施方式

下面结合图1至图14，对本发明做进一步说明：

如图1所示，Snell 定律：n1sinθ1= n2sinθ2

 N为介质的折射率，θ1为入射角、反射角（反射角等于入射角）， θ2为折射角。

空气折射率约1.0，玻璃折射率约1.5—1.7。

通过 Snell 定律，我们可以根据入射光的方向向量求取折射光的方向向量。

考虑光通量与光强度关系：                                   

折算每条光线所携带的光通量：

ΙV(0) 为LED发光平面法线轴上光强值，ΙV(θ)是θ角度上光強，N是LED期望的总光线数，Φray是每根光强于轴上光强的归一化值，即相对光线携带的光通量。

如图2所示，一种集成式大功率封装LED光源光学透镜，透镜包括x向的光线拉开单元和y向的收光单元，x向的光线拉开单元将光线拉伸角度控制在120°—140°之间以照射灯杆与灯杆之间的距离，y向的收光单元将光线拉伸角度控制在40°—50°之间以照射路面宽度的方向。

图2中 a边和b边一方面为配光设计需要，另一方面为灯具组装时防呆措施，因为a边和b边大小不同，透镜放置到灯具时方向不会摆错。

如图3所示，入射面及出射面曲率是属於一种非球面设计，出射面还设计成两种曲面。包括内凹弧面11和两个外凸弧面12，内凹弧面11位于两个外凸弧面12之间并且处在透镜外部中心处。光入射面为带角度弧面13。

如图4所示，以Snell定率为基础，经过所设计透镜第一个界面先将LED芯片光先做第一次拉开角度，再经过透镜第二界面将光线拉开所要的角度，并在不同角度上形成不同光强分布，实现道路矩形光斑的要求，符合照度均匀度要求。为配合不同路灯灯杆距离（一般为30米到45米），光线拉开角度及光强分布需不同，是由设计透镜入射面及出射面不同曲率来完成。

如图5所示，为配合不同路面宽度（一般为二到六车道），光线集中角度及光强分布不同，是由设计透镜入射面及出射面不同曲率来完成。y向的收光单元包括光出射面22和弧形光入射面21。入射面及出射面曲率是属于一种非球面设计，出射面还设计成两种曲面（外凸及内凹）。

如图6所示，以Snell定率为基础，经过所设计透镜第一个界面先将芯片光线做第一次收光，再经过透镜第二界面将光线收到所要的角度，并在不同角度上形成不同光强分布，实现道路矩形光斑的要求，符合照度均匀度要求。

如图7所示，透镜的带角度弧面13上方三分之二到四分之三区域为Fresnel透镜所取代。

如图8所示，Fresnel透镜有缩小透镜厚度的效果（减少透镜对光的吸收路径），及增加透镜适用性范围，即不同路灯功率和道路不同种类等之配光设计需求。此为本发明另一种透镜设计，实现相同的配光设计。

如图9所示，一种LED路灯，包括透镜1、透镜固定板4、集成芯片固定板5、散热鳍片6以及LED芯片7，透镜为集成式大功率封装LED光源光学透镜。

如图10所示，透镜1位于透镜固定板4上方，LED芯片7安装集成芯片固定板5上，集成芯片固定板5位于散热鳍片6上。

如图11所示，集成式大功率封装LED光源光学透镜的出射面包括内凹弧面11和两个外凸弧面12，内凹弧面11位于两个外凸弧面12之间。

如图12所示，集成式大功率封装LED光源光学透镜的入射面为一水滴结构。

如图13所示，为本发明之灯具配光曲线图，依光学定义，所张开角度为光强最大的一半所在的位置角度，由图13得到x方向角度为137°，所得y方向角度为50°，实现了设计要求。

如图14所示，为图13所相应各角度的光强分布之直角坐标图，横轴为x、y方向的角度，纵轴为x、y方向各角度所对应到的光强度，同图13，依光学定义，所张开角度为光强最大的一半所在的位置角度，由图13所得x方向角度为137°，所得y方向角度为50°，实现了设计要求。

本发明具有以下技术效果：

1、单晶光源一般是透过二次光学来完成道路配光要求，每经过一个透镜光将有7%—15%的光损失，即透光率85%—93%之间，因此累积下来，就有14%—30%的光损失，影响灯具的发光效率，本发明只需要一个透镜即可完成道路配光要求，大大减少光损失，提升灯具发光效率。

2、单晶光源考虑成本，常使用透镜材料为PC、PVC、ABS、PP或PMMA等塑化材料，由于易于变形、老化、变质，不利户外使用，本发明使用钢化玻璃，材料稳定、耐候，适合户外使用，透光率可达94%—96%之间，再经过奈米镀膜技术，透光率更可达99%，再一次提升灯具发光效率。

3、透镜表面经过奈米镀膜，除了增加透光率外，更可以防止灰尘沾黏在镜面上，在雨后镜面仍可保持干净，维持透光率。

4、透镜底部（在集成芯片一面）有一凹面，面上可以为一平滑面或成锯齿状，此锯齿状设计是一种Fresnel透镜设计概念，有缩小透镜厚度的效果（减少透镜对光的吸收路径），及增加透镜适用性范围，即不同路灯功率和道路不同种类等之配光设计需求。

5、透镜的透光率取决于所使用的材料，虽然我们可以选用透光率较高的材料，但由于透镜的设计及物理特性，灯具的最佳出光率往往只剩下85%，Fresnel透镜设计可以增加出光率，增加LED光的使用率。此技术也成功应用在聚光型太阳能电板上，增加聚光，进而增加发电效率。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。