[发明专利]用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜

说明书

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，具体涉及一种LED路灯的偏光透镜。

背景技术

LED作为一种新型的固体光源，同传统光源相比具有很多优势，如节能，环保，易于 调节，寿命长等优点，因此非常适合作为各种照明领域的光源，比如道路照明光源。

道路照明系统不同于一般的照明灯具，其照明的场最好为矩形区域，以提高光的利用 率。根据国家公路照明标准，要满足在一矩形的被照平面上(一般是10米×40米)的平 均照度以及照度均匀度。

由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，直接用于照明，会在路面上 形成一个不均匀的圆斑，中心处很亮，而在径向衰减很快。这就需要设计相应的光学系统 来重新配光。目前出现的LED路灯，有使用偏光透镜对LED光源进行配光，这种路灯的 光能利用率很高，但是由于中心光强过大无法打散，导致单颗路灯照射距离较短(一般在 30米至35米)，若路灯安装间距较大，会在两灯之间出现暗区。而现有的比较成熟的配光 方式是在LED光源前安放光学透镜，其中在照射距离和照度均匀度做的比较好的为花生型 透镜。但是由于花生形透镜采用对称设计，而路灯灯杆一般是放置在路边，所以路灯在使 用中会有大量的光照射到路面以外的区域，不利于光能的有效利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供LED路灯的偏光透镜，能使 LED路灯的光能集中到路面上，并且形成均匀矩形照明区域。本发明采用如下技术方案：

用于大功率LED路灯照明的自由曲面偏光透镜，包括LED光入射面、出射面和底面， 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；透镜除底面部分之外的外表面是自由曲面，构成所述出射面。

上述的自由曲面偏光透镜，以LED灯底面的圆心为原点，以LED底面所在平面为XOY 平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述偏光透镜的形状关于YOZ平面对称， 由偏光透镜在第一象限和第四象限的自由曲面部分相对于YOZ平面进行对称即得到透镜 的自由曲面的形状。

所述自由曲面由如下方法确定：

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格。

首先目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a，宽为b的矩形区域，取 其第一象限和第四象限作为研究对象，则长边为a/2，因为路面纵向偏光，侧边在第一象 限的长度为c，第四象限的长度为d，LED光源的总光通量为φ，目标区域的平均照度为Ev (Ev为总光通量除以目标区域面积)，LED中心光强为I₀＝φ/π。将目标照明矩形区域沿 X轴方向以步长k等分成n份，沿Y轴方向以步长k等分成m份，得到x(n)和y(m)的数 组。这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格。对应的，通过计 算每一份网格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分， 在θ角上分成n份，在角上分成m份。

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线与Y轴所在平面与YOZ平面的 夹角)

第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的总能量：

Energy＝k·(c+d)·Ev

第二步，由能量守恒求出θ角：(角为出射光线与Y轴正向的夹角)

LED出射能量为：

有上述第一步和第二步的能量守恒关系，可以得出θ的迭代关系式，通过计算机计算 可以求出一系列θ值。

(3)由能量对应关系计算角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为k²。

第一步，计算每一小格的总能量：

energy＝Ev·k²

第二步，对应于光源的出射能量为：

第三步，将以上两步建立等式，通过计算机建立二重循环计算可以求出序列。

(4)由折射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平 面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为：

其中n为折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某 一点上的单位法向量；