專利名稱：自由曲面透鏡配光的大功率led燈頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自由曲面透鏡，以及包含該自由曲面透鏡的自由曲面 配光的大功率LED燈頭。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)光二極管(簡稱LED)技術(shù)的快速發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的 應(yīng)用日益受到半導(dǎo)體界和照明界的關(guān)注。國外LED應(yīng)用產(chǎn)品近年來發(fā)展 迅速，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括手機背光源、顯示屏幕、汽車照明、建筑裝飾照 明、信號照明等。大功率LED己被大量用于汽車照明中，汽車照明約占 LED市場的18%左右。信號照明是LED單色光應(yīng)用比較廣也比較早的一 個領(lǐng)±或，約占LED應(yīng)用市場的4n/。左右。LED照明的特點低耗電量、壽命 長、彩色LED產(chǎn)品已覆蓋了整個可見光譜范圍，且單色性好，色彩純度 高，LED的光效遠高于白熾燈。上世紀90年代末期，LED的高并行化、 超高亮度和全色化使其應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛，逐步走向室內(nèi)外照明領(lǐng)域。
由于LED特殊的發(fā)光原理，使其在達到同等亮度情況下所需消耗的 能量遠遠低于普通白熾燈，隨著關(guān)鍵技術(shù)的進一步突破，白光LED的光 效有可能達到150-200 lm/W，大大超越現(xiàn)在所有照明光源的光效，在照明 方面有著誘人的前景。相對于傳統(tǒng)的電光源產(chǎn)品。LED的能耗較低，是一 種節(jié)能光源，LED技術(shù)在照明應(yīng)用領(lǐng)域的突破給高效照明家族又增添了新 的力量。采用LED有很多優(yōu)點，可靠性高、減少維護、無污染、所需電 源簡單、容易控制、壽命長，而且節(jié)省能源。
普通LED外形尺寸只有5mm，由于單個LED功率小，發(fā)光強度不夠， 若將若干個LED靈活地組合，并采用聚光的方法可以提高發(fā)光強度?，F(xiàn) 在世界各國的科研人員正在努力突破高亮度需求與相對低的光通量、低成 本的矛盾等技術(shù)難關(guān)，特別是如何提高LED在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用時的 光通量，使LED為照明節(jié)電提供更廣闊的拓展空間。目前所采用的路燈大多采用高低壓鈉燈或鹵素?zé)糇鳛楦鞣N燈例如路 燈的光源，但是，其存在能耗比較大、使用壽命較短以及在低溫情況下不
容易啟動等不足之處，在LED技術(shù)廣泛應(yīng)用的情況下，老式路燈有被LED 路燈替代的趨勢。
由于LED路燈的使用，促使了本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員對與LED路燈配 套使用的路燈燈頭的改進。圖1是目前常規(guī)LED路燈的側(cè)視圖，從圖可 見，該路燈燈頭上的LED簡單排列，這種燈受LED照射角度e的限制， 燈頭的照射角度僅為(3，常常難以滿足路燈照明設(shè)計要求。CN2842182Y 公開了一種LED路燈，如圖2所示，其包括LED、安放板和燈頭，安放 板和燈頭固定在一起，LED是密集安裝在安放板上，安放板中部為平面板， 周邊向LED的安裝面反方向翹起形成夾角，使LED的安裝面呈凸起狀， 這種設(shè)計可有適度地增加照射角度|3。以上圖1和圖2兩種方案僅簡單從 機械設(shè)計的角度來提高照射角，在設(shè)計、安裝以及使用場合適應(yīng)性上具有 明顯局限性。CN2896006Y公開了一種高亮度LED路燈的燈頭，如圖3 所示，其包括燈殼、LED光源、拱形支架、散熱條，LED光源上分別設(shè) 置有透鏡支架，各透鏡支架內(nèi)放置有透鏡，且透鏡的底部透過透鏡支架套 住高亮度LED光源的發(fā)光頭。這種路燈燈頭通過機械的拱形支架設(shè)計和 光學(xué)的透鏡設(shè)計可以更好地適應(yīng)各種道路照明。但是，上述現(xiàn)有LED路 燈主要是通過簡單的LED陣列式排列、或采用改變LED安裝基板的輪廓 來改善LED的利用效果、或采用透鏡進行簡單的光學(xué)配光來滿足國家標 準，在光學(xué)效率方面的考慮都僅限于一般的改善，而且很多都難以滿足路 燈的國家標準，這些LED燈頭難以滿足根據(jù)不同適用場合靈活、高效地 進行配光的基本要求，事實上，在配光方面，透鏡的折射面及全反射面的 面型對光學(xué)效率的影響很大，如果不進行光學(xué)配光來優(yōu)化出最佳的自由曲 面，光學(xué)效率是不會很高的。
因此，提供一種可以靈活、高效地進行配光的LED燈頭，特別是路 燈燈頭，以滿足不同適用場合，仍是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有的LED燈頭在不同使用場
5合配光不靈活、效率不高的缺點。為了解決上述問題，本發(fā)明第一方面提 供了一種具有自由曲面的透鏡。本發(fā)明第二方面提供了采用所述透鏡制作
的LED燈頭。
實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)基礎(chǔ)是LED技術(shù)、自由曲面加工檢測技術(shù)和透鏡 注塑成型技術(shù)的發(fā)展。在這些技術(shù)基礎(chǔ)上，本發(fā)明從整體上采用了專用的 或者通用的光學(xué)軟件來建立LED光源的模型，建立具有自由曲面面型的 光學(xué)透鏡模型來優(yōu)化配光，通過光學(xué)軟件的優(yōu)化來優(yōu)化出最佳的自由曲面 面型，具有該自由曲面面型的透鏡可以提高光的透過率和LED組成的路 燈的光光轉(zhuǎn)換效率，從而進一步節(jié)省能源，改善了 LED透鏡單元之間光 照度疊加不均勻的狀況，改善各個路燈間銜接中的光強均勻的問題。在以 上技術(shù)和思路的基礎(chǔ)上，本發(fā)明人實現(xiàn)了所要求的光學(xué)配光需求，有利于 光學(xué)設(shè)計配光來滿足路燈的國家標準，經(jīng)過優(yōu)化配出來的光更具均勻性。
一方面，本發(fā)明提供的透鏡，其特征是，其包括由透明材質(zhì)形成基本 呈碗體結(jié)構(gòu)的本體，本體底部向內(nèi)凹陷形成可容置LED的光源區(qū)，圍繞 所述光源區(qū)的本體表面為折射面，所述本體的外周為可反射光線的全反射 面，所述本體上部為光線的出射面；所述光源區(qū)發(fā)出的光源穿過折射面進 入本體后，光線直接穿過出射面和/或光線經(jīng)全反射面反射后再次進入本 體進而穿過出射面。
根據(jù)本發(fā)明透鏡的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，所述本體在從中軸線剖切后， 所述折射面基本呈M形。更優(yōu)選地，所述本體在從中軸線剖切后，所述 M形的上部呈平滑的V形。當(dāng)然，根據(jù)不同適用場合，折射面還可以為 半圓形、門框形等。
根據(jù)本發(fā)明透鏡的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，所述出射面向本體內(nèi)凹陷。 更優(yōu)選地，所述本體在從中軸線剖切后，所述出射面向本體內(nèi)凹陷呈弧形。 當(dāng)然，根據(jù)不同適用場合，出射面也可以是水平面或者向上凸起，只要能 滿足使用場合的具體需要。
根據(jù)本發(fā)明透鏡的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，在本體上部為多個陣列排列 并向內(nèi)凹陷呈弧形的出射面。更優(yōu)選地，所述陣列排列的出射面包括的弧 形凹陷為4、 9、 16、 25或36個。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，更特別的弧形凹 陷陣列也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如2個以上任何數(shù)目的弧形凹陷構(gòu)成的陣列，只要使用場合需要，通過注塑成型工藝即可制造出來。根據(jù)本發(fā)明透鏡的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，所述折射面、全反射面、出 射面、或者這上述三個面的任意組合為自由曲面。所述的"自由曲面"是本 領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，并且通常理解為任何可以或者不可以用數(shù)學(xué)公式表 達的曲面。本發(fā)明透鏡的折射面、全反射面和出射面組合所形成的總體自 由曲面可根據(jù)出射光的光線方向需要而容易地改變，而光線方面取決于具 體的使用場合，例如，高速公路路燈、鄉(xiāng)間公路路燈、廣場燈等的光線射 向要求是不同的，這些差異可通過適當(dāng)?shù)馗淖兺哥R的注塑模具即可實現(xiàn)， 還不需要在復(fù)雜的路燈安裝場合來調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明透鏡的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，所述的本體還可以包括一個或多個支腿。該支腿可以方便地將透鏡與LED固定安裝，或者可以方便 地將透鏡安裝在LED燈頭的安裝板上。根據(jù)本發(fā)明透鏡的進一步構(gòu)思，所述本體的材質(zhì)可以為任何透光的材 質(zhì)，優(yōu)選是可以通過注塑成型工藝制造透鏡的材質(zhì)；更優(yōu)選地，所述本體 的材質(zhì)為亞克力(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。另一方面，本發(fā)明提供的LED燈頭，其由一個或多個發(fā)光單元構(gòu)成， 所述發(fā)光單元包括本發(fā)明第一方面提供的任意一種透鏡本體；LED底座，其設(shè)置于透鏡本體的下部；LED芯，其設(shè)置于LED底座上，并且其發(fā)出的光源容置于所述透鏡 本體的光源區(qū)內(nèi)；LED電源導(dǎo)入部，其設(shè)置于LED底座上。根據(jù)本發(fā)明LED燈頭的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，所述的發(fā)光單元呈陣 列排列。根據(jù)本發(fā)明LED燈頭的進一步構(gòu)思，所述的陣列排列為多排，每排 由多個發(fā)光單元排列組成。更優(yōu)選地，所述的陣列排列為1~10排，每排 由2~40個發(fā)光單元排列組成。根據(jù)本發(fā)明LED燈頭的進一步構(gòu)思，所述的陣列排列的各排相互組 合形成圓弧形，每排由多個發(fā)光單元排列組成。優(yōu)選地，所述的陣列排列 為6排并且各排相互組合形成圓弧形，每排由8 20個發(fā)光單元排列組成。根據(jù)本發(fā)明LED燈頭的進一步構(gòu)思，優(yōu)選地，所述的LED底座為鋁 材。鋁質(zhì)材料的優(yōu)點是密度小并且散熱效果好。本發(fā)明的有益效果是，可以根據(jù)不同道路要求來特別設(shè)計出具有自由 曲面特征的透鏡，對這種特別設(shè)計的透鏡，設(shè)計人員可以結(jié)合光學(xué)軟件進 行光學(xué)優(yōu)化配光，從而得到滿足國家標準的最佳的配光效果。另外還可以 有效提高光學(xué)系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)換效率，從節(jié)省能源角度讓LED的節(jié)能優(yōu)勢 更進一步地得到發(fā)揮，同時，由于現(xiàn)有的自由曲面技術(shù)的成熟發(fā)展及注塑 成型技術(shù)的支持，在LED路燈中采用優(yōu)化配光的自由曲面面型的LED透 鏡技術(shù)可以在滿足配光的情況下靈活采用多種組合結(jié)構(gòu)，無論是設(shè)計效率 還是制作效率都會得到提高。


圖1是目前常規(guī)LED路燈燈頭的側(cè)視圖。圖2是另一種已知的LED路燈燈頭的側(cè)視圖。圖3是另一種己知的LED路燈燈頭的側(cè)視圖。圖4是本發(fā)明LED燈頭的發(fā)光單元經(jīng)折解后的剖視圖。圖5是圖4所示發(fā)光單元的工作原理圖。圖6是具有多個陣列排列出射面(9個出射面)的發(fā)光單元的立體示意圖。圖7是本發(fā)明采用單個出射面透鏡的發(fā)光單元經(jīng)陣列組合(每排12個 發(fā)光單元x6排)的LED燈頭的遠場光線分布示意圖。 圖8是圖7所示LED燈頭的剖面示意圖。圖9是本發(fā)明采用9個出射面陣列透鏡的發(fā)光單元經(jīng)陣列組合(每排 12個發(fā)光單元x6排)的LED燈頭立體示意圖。圖10是本發(fā)明采用9個出射面陣列透鏡的發(fā)光單元經(jīng)陣列組合(每排 12個發(fā)光單元x6排)的LED燈頭的遠場光線分布示意圖。圖11是圖7所示LED燈頭的光學(xué)配光圖。圖12是圖7所示LED燈頭的在8米遠處得到的照度圖。圖13是圖7所示LED燈頭的照度分布的表圖。其中，主要附圖符號說明如下1、 本體2、 光源區(qū)3、 折射面4、 全反射面5、 出射面6、 支腿10、 發(fā)光單元11、 LED芯12、 光源13、 LED底座14、 LED電源導(dǎo)入部具體實施方式
為了進一步說明本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)結(jié)合圖4至圖14對本發(fā)明 的優(yōu)選實施例進行詳細說明，然而所述實施例僅為提供說明與解釋之用， 不能用來限制本發(fā)明的專利保護范圍。如圖4所示，上部的碗狀結(jié)構(gòu)為本發(fā)明提供的透鏡。該透鏡由透明材 質(zhì)形成基本呈碗體結(jié)構(gòu)的本體l，本體底部向內(nèi)凹陷形成可容置LED的光 源區(qū)2，圍繞所述光源區(qū)2的本體1表面為折射面3，所述本體1的外周 為可反射光線的全反射面4，所述本體上部為光線的出射面5;再結(jié)合圖 5，其中說明了本發(fā)明透鏡的工作原理，其中位于光源區(qū)2中的LED芯11 發(fā)出的光源12穿過折射面3進入本體1后，部分光線直接穿過出射面5， 部分光線經(jīng)全反射面4反射后再次進入本體進而穿過出射面5。從圖可見， 原本發(fā)散角較大的光源通過本發(fā)明透鏡后，光線定向集中；本領(lǐng)域技術(shù)人 員清楚，通過在設(shè)計透鏡時改變折射面3、全反射面4、出射面5或者這 三個面的任意組合所構(gòu)成的自由曲面的參數(shù)，可以在工業(yè)化大生產(chǎn)階段非 常容易地根據(jù)適用場合的需要而改變光線集中方向和/或角度，大大簡化 LED路燈在施工現(xiàn)場安裝過程中的復(fù)雜性。另外，圖4所示透鏡的本體1 在從中軸線剖切后，所述折射面3基本呈M形。再一方面，出射面5向 本體1內(nèi)凹陷，并且如圖4所示，透鏡的本體l在從中軸線剖切后，所述出射面5向本體1內(nèi)凹陷呈弧形。如圖6所示，其中上部帶四個支腿6的部件為本發(fā)明另一實施例的透 鏡，這種透鏡與第一實施例的透鏡的區(qū)別是出射面5的不同設(shè)計，即在本 體l上部為多個陣列排列并向內(nèi)凹陷呈弧形的出射面5，圖中示出了由九 個出射面5陣列構(gòu)成的透鏡。本發(fā)明第二方面提供了LED燈頭，這種LED燈頭包括基本構(gòu)件，即 發(fā)光單元IO。結(jié)合圖4、 5、 6和8說明，發(fā)光單元10包括(i)本發(fā)明的 透鏡本體l(有單個出射面(圖4、 5、 8)或九個陣列排列的出射面(圖6)); (ii)LED底座13，其設(shè)置于透鏡本體1的下部；(iii)LED芯ll，其設(shè)置于 LED底座13上，并且其發(fā)出的光源12容置于所述透鏡本體的光源區(qū)2 內(nèi)；(iv)LED電源導(dǎo)入部14，其設(shè)置于LED底座13上。由具有多個陣列 排列出射面的透鏡構(gòu)成的發(fā)光單元可提供更豐富的光線發(fā)散方向。LED底 座13采用鋁材，不但便于固定，而且有利于LED散熱。具體說明本發(fā)明提供的LED燈頭，如圖7、 8所示，其分別為本發(fā)明 采用單個出射面透鏡的發(fā)光單元經(jīng)陣列組合(每排12個發(fā)光單元x6排)的 LED燈頭的遠場光線分布示意圖和該LED燈頭的剖面示意圖。如圖8， 本發(fā)明的LED燈頭的第一實施例是，其發(fā)光單元10采用圖4、 5所示結(jié) 構(gòu)，發(fā)光單元10呈12x6的陣列排列，即陣列排列為6排并且各排相互組 合形成圓弧形，每排由12個發(fā)光單元10排列組成。本發(fā)明LED燈頭的第二實施如圖9、 IO所示，其分別為本發(fā)明采用9 個出射面陣列透鏡的發(fā)光單元經(jīng)陣列組合(每排12個發(fā)光單元x6排)的 LED燈頭立體示意圖，和本發(fā)明采用9個出射面陣列透鏡的發(fā)光單元經(jīng)陣 列組合(每排12個發(fā)光單元x6排)的LED燈頭的遠場光線分布示意圖。本 實施例的發(fā)光單元IO采用圖6所示結(jié)構(gòu)，發(fā)光單元10呈12x6的陣列排 列，即陣列排列為6排并且各排相互組合形成圓弧形，每排由12個發(fā)光 單元10排列組成。比較圖7和圖10，與圖7的第一實施例LED燈頭采用 單個出射面透鏡的發(fā)光單元相比，由于圖IO的第二實施例LED燈頭采用 了9個出射面陣列透鏡的發(fā)光單元，其發(fā)出的光線更比豐富。以圖7所示第一實施例LED燈頭說明本發(fā)明的有益效果。圖11是圖 7所示LED燈頭的光學(xué)配光圖，其中示出了光斑呈長方形，LED燈頭的圓弧形軸向與圖ll所示Y軸一致，這種長方形的效果特別適用于道路照 明，理由是通過透鏡和LED燈頭的設(shè)計，使長方形光斑的短徑與道路 寬度相符，這樣道路之外不會形成不需要的光照，從而節(jié)約了能源，同時 還可避免道路兩側(cè)不需要光照的區(qū)域出現(xiàn)眩光的現(xiàn)象；另外，圓弧形LED 燈頭使長方形光斑的長徑增加，從而可以減少道路上照明的盲區(qū)，也可相 應(yīng)地減少道路上的路燈安裝，從而節(jié)約能源。圖12是圖7所示LED燈頭 的在8米遠處得到的照度圖，圖13是圖7所示LED燈頭的照度分布的表 圖，這兩個圖分別以具體數(shù)據(jù)說明圖11的長方形光斑的形成原理。以上所述的僅為本發(fā)明的較佳可行實施例，所述實施例并非用以限制 本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的 等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種透鏡，其特征在于，其包括由透明材質(zhì)形成基本呈碗體結(jié)構(gòu)的本體(1)，本體底部向內(nèi)凹陷形成可容置LED的光源區(qū)(2)，圍繞所述光源區(qū)(2)的本體(1)表面為折射面(3)，所述本體(1)的外周為可反射光線的全反射面(4)，所述本體上部為光線的出射面(5)；所述光源區(qū)(2)發(fā)出的光源穿過折射面(3)進入本體(1)后，光線直接穿過出射面(5)和/或光線經(jīng)全反射面(4)反射后再次進入本體進而穿過出射面(5)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，所述本體(l)在從中軸 線剖切后，所述折射面(3)基本呈M形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，所述出射面(5)向本體 (l)內(nèi)凹陷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的透鏡，其特征在于，所述本體(l)在從中軸 線剖切后，所述出射面(5)向本體(1)內(nèi)凹陷呈弧形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其特征在于，所述本體(l)上部為多 個陣列排列并向內(nèi)凹陷呈弧形的出射面(5)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的透鏡，其特征在于，所述陣列排列的出射 面(5)包括的弧形凹陷為4、 9、 16、 25或36個。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1~6任意一項所述的透鏡，其特征在于，所述折射 面(3)、全反射面(4)、出射面(5)或其任意組合為自由曲面。
8、 一種LED燈頭，其特征在于，其由一個或多個發(fā)光單元(10)構(gòu)成， 所述發(fā)光單元(10)包括權(quán)利要求1 7任意一項所述的透鏡；LED底座(13)，其設(shè)置于所述透鏡本體(l)的下部； LED芯(ll)，其設(shè)置于所述LED底座(13)上，并且其發(fā)出的光源(12) 容置于所述透鏡本體的光源區(qū)(2)內(nèi)；LED電源導(dǎo)入部(14)，其設(shè)置于所述LED底座(13)上。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED燈頭，其特征在于，所述的發(fā)光單元 (IO)呈陣列排列。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的LED燈頭，其特征在于，所述的陣列排 列的各排相互組合形成圓弧形，每排由多個發(fā)光單元(10)排列組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自由曲面透鏡，其包括由透明材質(zhì)形成基本呈碗體結(jié)構(gòu)的本體(1)，本體底部向內(nèi)凹陷形成可容置LED的光源區(qū)(2)，圍繞所述光源區(qū)(2)的本體(1)表面為折射面(3)，所述本體(1)的外周為可反射光線的全反射面(4)，所述本體上部為光線的出射面(5)；所述光源區(qū)(2)發(fā)出的光源穿過折射面(3)進入本體(1)后，光線直接穿過出射面(5)和/或光線經(jīng)全反射面(4)反射后再次進入本體進而穿過出射面(5)。本發(fā)明還提供了包含所述自由曲面透鏡的自由曲面配光的大功率LED燈頭。本發(fā)明的LED燈頭可在不同使用場合靈活、高效率地由設(shè)計者來進行配光。
文檔編號F21V5/00GK101539267SQ20081008689
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者張志輝, 李榮彬, 雪 杜, 蔣金波 申請人:香港理工大學(xué)