專利名稱：一種led格柵燈及其使用的透鏡的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED燈技術領域，具體涉及用于LED室內燈具的透鏡及包含該透鏡 的格柵燈。
背景技術：
LED作為新一代照明技術，代替白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、金鹵燈等傳統(tǒng)燈具的趨勢 日益明顯，但由于室內照明直接影響著人們眼睛的健康，所以對室內燈具光的質量的要求 比較高，而LED本身發(fā)出的光其分布近似為朗伯型，即發(fā)光強度隨角度變化呈余弦分布， 在目標平面上形成的光斑通常是一個不均勻的圓斑中心處很亮，而在徑向衰減很快，所 以很不適合直接作光源來使用，而且由于其眩光問題的存在，如果直接作為光源使用，會 對眼睛會造成很大的傷害，所以需要對LED做二次配光設計才能作為照明光源使用。
授權公告號CN2908987Y的格柵燈設計是利用漫反射膜來解決眩光問題，但光能利用 率低，光能損失比較大。
實用新型內容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種LED格柵燈及其使用 的透鏡。本實用新型采用如下技術方案
一種用于LED格柵燈的透鏡，優(yōu)選地，所述透鏡由透明材料制成，透明材料為PC或 PMMA 。透鏡包括入射面及出射面。所述透鏡的底面中部設有一供LED安裝于其內的凹 坑，凹坑的坑壁面是半球面，構成所述的入射面；透鏡的外表面是自由曲面，構成出射面。 該自由曲面的形狀由如下方法確定
以過該透鏡中心軸的截面為基準面，為建立坐標系，中心軸為Z軸，垂直于中心軸的 方向為X軸，因為透鏡最終實現(xiàn)的是在目標平面上的均勻圓形光斑，所以可知透鏡為中心 軸對稱形狀。因此我們只需要求出自由曲面在XZ平面上所對應的曲線，然后將其繞Z軸 旋轉一周即可得到所需的自由曲面。 具體步驟
(1)由能量守恒求出最大照射半徑。
fc A ^ ^其中P為目標平面的光照度，R為最大照射半
徑，I為LED中心光強，-為LED出射光線與Z軸的夾角。 -的范圍為[O， ；r/2]， I的取值由于所使用的LED而定；
(2)通過能量對應關系求出目標平面上的點與夾角-的關系式。;r/(1-cos ;r/2) Px;rxi 其中xd為夾角為^的光線經(jīng)透鏡折射后照射到目標平面 所對應的點的X軸坐標。
可以得到
(3)由折射公式求出曲線上點的法向量，利用這個法向量求得切線，通過求切線與入 射光線的交點得到曲線上點的坐標。 步驟如下
折射公式為 —2w(c^,玩)]iV=6^—w/巧
其中n為折射率，z'H為入射光線單位向量，o&為出射光線單位向量，力為單位法向
首先將目標平面X軸方向上[O，R]的區(qū)間劃分為m等分，分別為xd[l]到xd[m],對應于
光線與Z軸的夾角為-[l]到-[m]，可以通過步驟2求出^[l]到^[m]。以沿著z軸正向的光
線為起始光線，假設照射高度為h，透鏡自由曲面的中心距離LED的距離為d，則由這兩 點的坐標可通過折射公式求出起始點的法向量N[l](Nx[l],Ny[l],Nz[l])。
由法向量和起始點坐標求出切線為z—d=0 ，此為1式；角度為^[2]的直線方程為 Z=cot(^[2])X此為2式；起始點即第l點的坐標為(0， d);
由上面1式和2式所得的兩直線相交，其交點就是曲線上第2點的坐標(x[2]，z[2]);
以此類推第m點所對應的直線方程為z=COt[^ [m]]x，所對應的切線方程為 Nx [m-1 ] (x-x[m-1 ])十Nz[m-1 ] (z-z[m-1 ])=0
(4)由第3步可得到曲線上離散的點坐標，通過計算機擬合可以得到所要曲線，然后 將曲線繞z軸旋轉一周可得到最終的自由曲面。
把通過步驟(3)計算出來的離散點坐標導入三維制圖軟件，先選定好旋轉軸，然后把 曲線繞軸旋轉一周，即得所需要的自由曲面。其特征在于m的取值越大，步驟(3)得到 所述曲線上的離散點越多，由這些離散點坐標通過計算機擬合能得到更精確的所述曲線。
本實用新型另外還提供如下技術方案 一種LED格柵燈，包括燈盤，散熱器，柵格架， 外插式恒流驅動電源，LED光源及透鏡。
LED采用貼片式白光大功率LED， LED通過用高導熱膠均勻貼裝在散熱器底面，在每 個LED上面放置透鏡，LED的中心軸與透鏡的中心軸重合，LED置于透鏡底面的半球凹
5面內，透鏡透過硅膠扣在散熱器上。每條散熱器的倆端有螺孔，與燈盤之間通過螺桿固定， 燈盤的底座根據(jù)LED排列位置鉆孔，能夠讓散熱器上的LED及其外置的透鏡伸到燈盤里 面，在燈盤的底面放置格柵，每一個柵格對應一個LED以及透鏡，柵格的側面為傾斜的梯 形平面，此平面與燈盤底面的夾角為三十度，這樣LED的光線經(jīng)過透鏡折射出射后，不會 被柵格的側面反射，所以柵格只起到防眩光的作用，而沒有影響LED燈具的光照均勻性。 格柵的側面設置彈簧鉤，與格柵燈盤的側面連接。散熱器設有若干散熱鰭片。
本實用新型具有如下有益效果本實用新型提供一種LED室內燈具所用透鏡，通過透 鏡的外表面自由曲面來約束LED的出光方向，使其照明區(qū)域稱為一圓形均勻照明面，從而 使LED燈具能符合室內照明的光分布與照度要求；提供一種包含此透鏡的LED格柵燈， 其照度均勻性良好，無眩光，對眼睛無傷害。采用所述透鏡后，合理控制光線分布使光斑 呈圓形，并且在照射區(qū)域內總透光率高，出光均勻性良好，沒有不良眩光，光線柔和，室 內光效給人感覺舒適，可以廣泛用于室內家居，或者辦公場所照明，是一種綠色、節(jié)能、 環(huán)保的照明產(chǎn)品。
圖l為實施方式中透鏡立體圖2為求解透鏡自由曲面的坐標系原理圖3為計算機擬合曲線圖4為過透鏡中心軸的截面圖5為格柵燈中LED、透鏡、散熱器的安裝關系示意圖6為單個柵格尺寸示意圖7為中柵格架示意圖8為格柵燈側視圖9為格柵燈正視圖IO為格柵燈后視圖ll為格柵燈立體圖12為實施方式中格柵燈的光強分布圖13為實施方式中照射目標平面的照度分布圖14為實施方>式中目標平面上圓形光照區(qū)直徑方向上的照度值分布圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施作進一步的詳細描述。
室內照明光源易被人眼直視，因此要求其發(fā)光面盡可能柔和、均勻、不刺眼；另一方 面，室內照明光源需要有相當?shù)陌l(fā)散角,尤其是室內主光源，其照明范圍大,通常發(fā)散角要大 于120° 。為實現(xiàn)這些要求同時保證光源光能的充分利用，必須使LED發(fā)出的光均勻發(fā)散到目標平面上，而且目標區(qū)域沒有突出的亮點才可以滿足應用。這樣的話，假設要照射的 目標平面距離燈具為2米，那么它的照射區(qū)域至少為半徑3.5米的圓形均勻光斑。如圖1 與圖4所示，透鏡包括入射面101及出射面102。所述透鏡的底面中部設有一供LED安裝 于其內的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面101，構成所述的入射面；透鏡的外表面是自由曲 面102，構成出射面。所述透鏡采用透光性能非常好的透明材料制成，如PC或PMMA 。 透鏡的設計方法如下
建立如圖2所示的坐標系，因為透鏡最終實現(xiàn)的是在目標平面上的均勻圓形光斑，所 以可知透鏡為中心軸對稱形狀。因此我們只需要求出XZ平面上所對應的曲線201然后將 其繞Z軸旋轉一周即可得到所需的曲面。 具體步驟
(1)由能量守恒求出最大照射半徑。
2 r丄Pnir = 2;r丄 / cos ^ sin #0
其中P為目標平面205的光照度，R為最大照
射半徑，I為LED中心光強，^為LED出射光線與Z軸的夾角。
例如選用cree公司的一款發(fā)光通量為1001m，光強分布為朗波分布的芯片，它的中心 光強I為31.8cd,若LED照射到平面上的目標半徑為3.5m，則目標平面均勻的光照度為 2.61ux。
(2)通過能量對應關系求出目標平面205上的點與夾角-的關系式。
;r/(1 — cos2 — _P x ;r x jC ;r/(1 - cos2 ;r / 2) x ;r x / 2其中xd為夾角為0的光線經(jīng)透鏡折射后照射到目標平面
205所對應的的點的X軸坐標。
xd = Wl-cos2 0
可以得到
(3)由折射公式求出曲線201上點的法向量，利用這個法向量求得切線202，通過求 切線與入射光線203的交點得到曲線上點的坐標。 步驟如下
折射公式為.[l+"2 — 2"(<^">0]1/2力=0^—"玩
其中n為折射率，^為入射光線單位向量，oW為出射光線單位向量，^為單位法向
首先將目標平面X軸方向上[0，R]的區(qū)間劃分為m等分，分別為xd[l]到xd[m],對應于光線與Z軸的夾角為^[l]到-[m]，可以通過步驟2求出^[l]到^[m]。以沿著Z軸正向的
光線為起始光線，假設照射高度為h，透鏡自由曲面的中心距離LED的距離為d，則由這 兩點的坐標可通過折射公式求出起始點的法向量Nlll(Nx[l]，Ny[l],Nz[l])。
由法向量和起始點坐標求出切線為z—d=0 ，此為1式；角度為^[2]的直線方程為
Z=COt(~2])X此為2式；起始點即第l點的坐標為(0, d);
由上面1式和2式所得的兩直線相交，其交點就是曲線上第2點的坐標(x[2],z[2]);
以此類推第m點所對應的直線方程為z=cot[-[m]]x,所對應的切線方程為
Nx[m-1 ](x-x[m-1 ])十Nz[m-1 ](z-z[m-1 ])=0 。
例若透鏡中心距離目標平面的距離為2.5m， LED距離透鏡中心的距離d為0.02m。 將目標半徑劃分為IOO份，則xd[l]到xd[100]就由0m增至3.5m，單位步長為0.035m，初
始角^[1]為0。。由法向量和起始點坐標可以求出切線為z—0.02-0此為l式； 角度為^[2]的直線方程為z=cot(^[2])x此為2式；由xd[2]-xd[l]+0.035^.035m，可以通過
步驟(2)求出^[2]=0.001。由上面1， 2兩式所得的倆直線相交，其交點就是曲線201上
第2點的坐標(x[2],z[2])為(0.000201， 0.02);
(4)由第3步可得到曲線上離散的點坐標，如圖3所示，通過計算機擬合可以得到所 要曲線301,然后將曲線繞z軸旋轉一周可得到最終的自由曲面102。
把通過步驟3計算出來的離散點坐標導入三維制圖軟件，先選定旋轉軸，然后把曲線 繞軸旋轉一周，即得所需要的自由曲面102。 m的取值越大，步驟(3)得到所述曲線上的 離散點越多，由這些離散點坐標通過計算機擬合能得到更精確的所述曲線。
通過透鏡的外表面自由曲面來約束LED的出光方向，使其照明區(qū)域稱為一圓形均勻照 明面，從而使LED燈具能符合室內照明的光分布與照度要求。 透鏡應用于格柵燈
如圖5~圖11所示，本實用新型還提供了一種LED格柵燈，包括燈盤503，散熱器504， 柵格架505，外插式恒流驅動電源506， LED501光源及透鏡502。
如圖5與圖9，圖11所示，LED采用貼片式大功率白光LED501， LED通過用高導熱 膠均勻貼裝在散熱器504底面，LED之間通過電路串聯(lián)，在每個LED上面放置透鏡502， LED的中心軸與透鏡的中心軸重合，LED置于透鏡底面的半球凹面101內，透鏡的結構如 圖1 圖4所述完全相同，在此不再重復，透鏡透過硅膠扣在散熱器504上。每條散熱器的 倆端有螺孔507，散熱器設有若干散熱鰭片510，與燈盤503之間通過螺桿固定，燈盤503 的底座根據(jù)LED排列位置鉆孔508，能夠讓散熱器504上的LED及其外置的透鏡伸到燈盤503里面，在燈盤的底面放置柵格架505，每一個柵格對應一個LED以及透鏡。
如圖6 圖7所示，柵格的深度為50mm，柵格的側面508為傾斜的梯形平面，此平面 與燈盤底面的夾角為三十度，這樣LED的光線經(jīng)過透鏡折射出射后，不會被柵格的側面反 射，所以柵格只起到防眩光的作用，而沒有影響LED燈具的光照均勻性。
如圖8，圖10所示，恒流驅動電源506固定在燈盤底面頂部的倆條散熱器之間。 格柵的側面設置彈簧鉤，與格柵燈盤的側面連接。
圖12-14為LED按照如上所述的方式放置了透鏡后的光照效果圖，圖12中的曲線為 在目標平面上的光強分布圖，圖13表示目標平面上的光分布為圓形斑，圖14為圓形斑直 徑上的光照度的曲線圖，可以看出曲線上端比較平坦，代表均勻性比較好。所以可以看出， 通過采用上述技術方案后，而能合理控制光線分布使光斑呈圓形，并且在照射區(qū)域內總透 光率高，出光均勻性良好，沒有不良眩光，光線柔和，室內光效給人感覺舒適，可以廣泛 用于室內家居，或者辦公場所照明，是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的照明產(chǎn)品。
9
權利要求1、用于LED格柵燈的透鏡，包括燈光入射面、燈光出射面和環(huán)形底面，其特征在于透鏡的底面中部設有用于容納LED的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，該半球面為所述燈光入射面；透鏡的燈光出射面為自由曲面，該自由曲面的形狀由如下方法確定所述透鏡為中心軸對稱形狀，所述凹坑的中心軸為透鏡的中心軸，以過該透鏡中心軸的截面為基準面，建立坐標系，其中，中心軸為Z軸，原點在中心軸且與中心軸垂直的方向為X軸，通過將所述自由曲面在XZ平面上所對應的曲線繞Z軸旋轉一周即得到自由曲面的形狀；所述曲線通過如下步驟確定(1)由能量守恒求出最大照射半徑<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msubsup> <mo>∫</mo> <mn>0</mn> <mi>R</mi></msubsup><mi>Prdr</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msubsup> <mo>∫</mo> <mn>0</mn> <mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup><mi>I</mi><mi>cos</mi><mi></mi><mi>φ</mi><mi>sin</mi><mi>φdφ</mi><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="Y2009200524090002C1.tif" wi="74" he="10" top= "96" left = "28" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中P為目標平面的光照度，R為最大照射半徑，I為LED中心光強，φ為LED出射光線與Z軸的夾角；(2)通過能量對應關系求出目標平面上的點與夾角φ的關系式<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mi>πI</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>cos</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>πI</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>cos</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>π</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>P</mi><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><mi>x</mi><msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <mrow><mi>P</mi><mo>×</mo><mi>π</mi><mo>×</mo><msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="Y2009200524090002C2.tif" wi="62" he="13" top= "133" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中xd為夾角為φ的光線經(jīng)透鏡折射后照射到目標平面所對應的點的X軸坐標，求得<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>xd</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>cos</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>φ</mi></msqrt><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="Y2009200524090002C3.tif" wi="42" he="9" top= "159" left = "32" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>(3)由折射公式求出所述曲線上點的法向量，利用這個法向量求得切線，通過求切線與入射光線的交點得到曲線上點的坐標，所述折射公式為<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>[</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup><mi>n</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi></mrow><msup> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>o</mi> <mover><mi>u</mi><mo>→</mo> </mover> <mi>t</mi> <mo>·</mo> <mi>i</mi> <mover><mi>n</mi><mo>→</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn> </mrow></msup><mover> <mi>N</mi> <mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mi>o</mi><mover> <mi>u</mi> <mo>→</mo></mover><mi>t</mi><mo>-</mo><mi>ni</mi><mover> <mi>n</mi> <mo>→</mo></mover><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="Y2009200524090002C4.tif" wi="75" he="7" top= "188" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中n為折射率， id="icf0005" file="Y2009200524090002C5.tif" wi="3" he="3" top= "191" left = "176" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為入射光線單位向量， id="icf0006" file="Y2009200524090002C6.tif" wi="5" he="3" top= "201" left = "55" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為出射光線單位向量， id="icf0007" file="Y2009200524090002C7.tif" wi="3" he="3" top= "200" left = "105" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為單位法向量；(4)由步驟(3)得到所述曲線上離散的點坐標，通過計算機擬合得到所述曲線，然后將所述曲線繞Z軸旋轉一周可得到最終的自由曲面。
2、根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其特征在于步驟(3)中通過求切線與入射光線的交 點得到曲線上點的坐標包括如下步驟首先將目標平面X軸方向上[O，R]的區(qū)間劃分為m等分，分別為xd[l]到xd[m]，對應于光線與Z軸的夾角為-[l]到-[m]，通過所述步驟(2)求出0[l]到^[m];再以沿著Z軸正向的光線為起始光線，若照射高度為h，自由曲面的中心距離LED的 距離為d，則由這兩點的坐標再通過折射公式求出起始點的法向量N[ll(Nx[l]，Ny[l],Nz[l]);由法向量和起始點坐標求出切線為Z — d=0 ，此為1式；角度為^[2]的直線方程為z-cot(-[2])x ，此為2式；起始點即第l點的坐標為(0， d);由1式和2式所得的兩直線 相交，其交點就是曲線上第2點的坐標(x[2]，z[2]);依照上述方法，求出第m點所對應的直線方程為z-cot[- [m]]x,所對應的切線方程為 Nx[m-l](x-x[m-l])+Nz[m-l](z-z[m-l])=0;第m點的坐標為(x[m],z[m])。
3、 根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其特征在于m的取值越大，步驟(3)得到所述曲線 上的離散點越多，由這些離散點坐標通過計算機擬合能得到更精確的所述曲線。
4、 根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其特征在于，所述^的大小為0 ;r/2。
5、 根據(jù)權利要求1所述的透鏡，其特征在于步驟(4)中把步驟(3)計算出來的離散 點坐標導入三維制圖軟件，生成所述曲線，選定好旋轉軸，把曲線繞軸旋轉一周，即得所 述自由曲面。
6、 一種包含權利要求1 5任一項所述透鏡的LED格柵燈，包括燈盤、散熱器、柵格 架、驅動電源、多個LED和透鏡，其特征在于多個LED通過導熱膠均勻排列貼裝在散熱 器底面，每個LED均外套有一透鏡，透鏡安裝散熱器底面上，且LED的中心軸與透鏡的 中心軸重合，LED置于透鏡底部的半球形凹坑內，散熱器的兩端設有用于安裝燈盤的螺孔； 所述燈盤的底座上設有多個燈孔，每個LED及透鏡穿過燈孔并伸到燈盤里面，在燈盤的底 面設置格柵架，每一個柵格對應一個LED及其套有的所述透鏡。
7、 根據(jù)權利要求6所述的LED格柵燈，其特征在于所述柵格的內腔為正四棱臺型， 正四棱臺的上頂面靠近燈盤的底面。
8、 根據(jù)權利要求7所述的LED格柵燈，其特征在于所述正正四棱臺的上頂面與燈盤 的底面夾角為30°柵格的深度為50mm。
9、 根據(jù)權利要求6所述的LED格柵燈，其特征在于所述LED采用貼片式白光大功率 LED，所述驅動電源采用外插式恒流驅動電源。
專利摘要本實用新型提供了一種LED格柵燈及其使用的透鏡，所述透鏡的底面中部設有用于容納LED的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面，該半球面為所述燈光入射面；透鏡的燈光出射面為自由曲面；所述LED格柵燈包括燈盤、散熱器、柵格架、驅動電源、LED和透鏡，多個LED貼裝在散熱器底面，透鏡安裝散熱器底面上，且LED的中心軸與透鏡的中心軸重合，LED置于透鏡底部的半球形凹坑內，散熱器的兩端設有用于安裝燈盤的螺孔；所述燈盤的底座上設有多個燈孔，每個LED及透鏡穿過燈孔并伸到燈盤里面，在燈盤的底面設置格柵架。采用所述透鏡后，可合理控制光線分布使光斑呈圓形，且在照射區(qū)域內總透光率高，出光均勻性良好，沒有不良眩光。
文檔編號F21V11/06GK201401722SQ200920052409
公開日2010年2月10日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權日2009年3月12日
發(fā)明者張奇輝, 張小凡, 洪 王, 王海宏 申請人:華南理工大學