專利名稱：用于led室內(nèi)燈具的透鏡及包含該透鏡的格柵燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED燈技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于LED室內(nèi)燈具的透鏡及包含該透鏡的格 柵燈。
背景技術(shù)：
LED作為新一代照明技術(shù)，代替白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、金齒燈等傳統(tǒng)燈具的趨勢 日益明顯，但由于室內(nèi)照明直接影響著人們眼睛的健康，所以對(duì)室內(nèi)燈具光的質(zhì)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(qiáng)度隨角度變化呈余弦分布， 在目標(biāo)平面上形成的光斑通常是一個(gè)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(huì) 對(duì)眼睛會(huì)造成很大的傷害，所以需要對(duì)LED做二次配光設(shè)計(jì)才能作為照明光源使用。
授權(quán)公告號(hào)CN 2908987Y的格柵燈設(shè)計(jì)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于LED室內(nèi)燈具的透鏡 及包含該透鏡的格柵燈。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種LED室內(nèi)燈具用的透鏡，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(shè)有一供LED安裝于其內(nèi)的凹 坑，凹坑的坑壁面是半球面，構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外表面是自由曲面，構(gòu)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(zhǔn)面，為建立坐標(biāo)系，中心軸為Z軸，垂直于中心軸的 方向?yàn)閄軸，因?yàn)橥哥R最終實(shí)現(xiàn)的是在目標(biāo)平面上的均勻圓形光斑，所以可知透鏡為中心 軸對(duì)稱形狀。因此我們只需要求出自由曲面在XZ平面上所對(duì)應(yīng)的曲線，然后將其繞Z軸 旋轉(zhuǎn)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。
fW 「/2
Jd Jd " 其中P為目標(biāo)平面的光照度，R為最大照射半
徑，I為LED中心光強(qiáng)，^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(duì)應(yīng)關(guān)系求出目標(biāo)平面上的點(diǎn)與夾角^的關(guān)系式。;r/(1 —cos2^) 尸x7rxx(i2
;r/(1 —cos ;r/2) 戶x;rxi 其中xd為夾角為^的光線經(jīng)透鏡折射后照射到目標(biāo)平面 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的X軸坐標(biāo)。
可以得到^"^^Vl一eos ^
G)由折射公式求出曲線上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切線，通過求切線與入 射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)。
步驟如下
折射公式為.[l+" —2"(o^-玩)]7V=c^—"玩
其中n為折射率，^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(biāo)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(duì)應(yīng)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(shè)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(diǎn)的坐標(biāo)可通過折射公式求出起始點(diǎn)的法向量N[l(Nx[l],Ny[l]，Nz[1])。
由法向量和起始點(diǎn)坐標(biāo)求出切線為z—d=0 ，此為1式；角度為^[2]的直線方程為 Z=COt(0[2])x此為2式；起始點(diǎn)即第l點(diǎn)的坐標(biāo)為(0， d);
由上面1式和2式所得的兩直線相交，其交點(diǎn)就是曲線上第2點(diǎn)的坐標(biāo)(x[2]，z[2]);
以此類推第m點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直線方程為z=cot[^ [m]]x，所對(duì)應(yīng)的切線方程為
Nx[m-1 ](x-x[m-1 ])+Nz[m-1 ](z-z[m國1 ])=0
(4)由第3步可得到曲線上離散的點(diǎn)坐標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)擬合可以得到所要曲線，然后 將曲線繞z軸旋轉(zhuǎn)一周可得到最終的自由曲面。
把通過步驟(3)計(jì)算出來的離散點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維制圖軟件，先選定好旋轉(zhuǎn)軸，然后把 曲線繞軸旋轉(zhuǎn)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(diǎn)越多，由這些離散點(diǎn)坐標(biāo)通過計(jì)算機(jī)擬合能得到更精確的所述曲線。
本發(fā)明另外還提供如下技術(shù)方案 一種LED格柵燈，包括燈盤，散熱器，柵格架，外 插式恒流驅(qū)動(dòng)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(dǎo)熱膠均勻貼裝在散熱器底面，在每 個(gè)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面內(nèi)，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(gè)柵格對(duì)應(yīng)一個(gè)LED以及透鏡，柵格的側(cè)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(huì) 被柵格的側(cè)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(cè)面設(shè)置彈簧鉤，與格柵燈盤的側(cè)面連接。散熱器設(shè)有若干散熱鰭片。
本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明提供一種LED室內(nèi)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(nèi)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(duì)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(nèi)總透光率高，出光均勻性良好，沒有不良眩光，光線柔和，室內(nèi)光效給 人感覺舒適，可以廣泛用于室內(nèi)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(shí)施方式中透鏡立體圖2為求解透鏡自由曲面的坐標(biāo)系原理圖3為計(jì)算機(jī)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(guān)系示意圖6為單個(gè)柵格尺寸示意圖7為中柵格架示意圖8為格柵燈側(cè)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(shí)施方式中格柵燈的光強(qiáng)分布圖13為實(shí)施方式中照射目標(biāo)平面的照度分布圖14為實(shí)施方式中目標(biāo)平面上圓形光照區(qū)直徑方向上的照度值分布圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
室內(nèi)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(nèi)照明光源需要有相當(dāng)?shù)陌l(fā)散角,尤其是室內(nèi)主光源,其照明范圍大，通常發(fā)散角要大
于120° 。為實(shí)現(xiàn)這些要求同時(shí)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(biāo)平面上，而且目標(biāo)區(qū)域沒有突出的亮點(diǎn)才可以滿足應(yīng)用。這樣的話，假設(shè)要照射的 目標(biāo)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(shè)有一供LED安裝 于其內(nèi)的凹坑，凹坑的坑壁面是半球面101，構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外表面是自由曲 面102，構(gòu)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(shè)計(jì)方法如下-
建立如圖2所示的坐標(biāo)系，因?yàn)橥哥R最終實(shí)現(xiàn)的是在目標(biāo)平面上的均勻圓形光斑，所 以可知透鏡為中心軸對(duì)稱形狀。因此我們只需要求出XZ平面上所對(duì)應(yīng)的曲線201然后將 其繞Z軸旋轉(zhuǎn)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P^/r = 2;r丄 / cos ^ sin #0
其中P為目標(biāo)平面205的光照度，R為最大照
射半徑，I為LED中心光強(qiáng)，^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(qiáng)分布為朗波分布的芯片，它的中心 光強(qiáng)I為31.8cd，若LED照射到平面上的目標(biāo)半徑為3.5m，則目標(biāo)平面均勻的光照度為 2.61ux。
(2)通過能量對(duì)應(yīng)關(guān)系求出目標(biāo)平面205上的點(diǎn)與夾角^的關(guān)系式。
;r/(1 - cos2 — P x ;r x xd2 ;r/(1 — cos2 ;r/2)戶><"乂/ 2其中 {(1為夾角為-的光線經(jīng)透鏡折射后照射到目標(biāo)平面
205所對(duì)應(yīng)的的點(diǎn)的X軸坐標(biāo)。
可以得到
(3)由折射公式求出曲線201上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切線202，通過求 切線與入射光線203的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)。 步驟如下
2 1/2 ~""
折射公式為.[l+" — 2"(o^"巧)]A^二c^—"玩
其中n為折射率，^為入射光線單位向量，c^為出射光線單位向量，^為單位法向
首先將目標(biāo)平面X軸方向上
的區(qū)間劃分為m等分，分別為xd[l]到xd[m]，對(duì)應(yīng)于
7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(shè)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(diǎn)的坐標(biāo)可通過折射公式求出起始點(diǎn)的法向量N[ll(Nx[l]，Ny[l],Nz[lD。
由法向量和起始點(diǎn)坐標(biāo)求出切線為z_d=0 ，此為1式；角度為^[2]的直線方程為
Z^Ot(^[2])X此為2式；起始點(diǎn)即第l點(diǎn)的坐標(biāo)為(0， d);
由上面1式和2式所得的兩直線相交，其交點(diǎn)就是曲線上第2點(diǎn)的坐標(biāo)(x[2],z[2]);
以此類推第m點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直線方程為Z=cot[- [m]]x,所對(duì)應(yīng)的切線方程為 Nx[m-1 ] (x-x[m-1 ])+Nz[m-1 ](z國z[m-1 ])=0 。
例若透鏡中心距離目標(biāo)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(biāo)半徑劃分為100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(diǎn)坐標(biāo)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[2hxd[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(diǎn)就是曲線201上 第2點(diǎn)的坐標(biāo)(x[2],z[2])為(0.000201， 0.02);
(4)由第3步可得到曲線上離散的點(diǎn)坐標(biāo)，如圖3所示，通過計(jì)算機(jī)擬合可以得到所 要曲線301，然后將曲線繞z軸旋轉(zhuǎn)一周可得到最終的自由曲面102。
把通過步驟3計(jì)算出來的離散點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維制圖軟件，先選定旋轉(zhuǎn)軸，然后把曲線 繞軸旋轉(zhuǎn)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(diǎn)越多，由這些離散點(diǎn)坐標(biāo)通過計(jì)算機(jī)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(nèi)照明的光分布與照度要求。 透鏡應(yīng)用于格柵燈
如圖5 圖11所示，本發(fā)明還提供了一種LED格柵燈，包括燈盤503，散熱器504，柵 格架505，外插式恒流驅(qū)動(dòng)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(dǎo)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(gè)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(nèi)，透鏡的結(jié)構(gòu)如 圖1 圖4所述完全相同，在此不再重復(fù)，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(shè)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
8503里面，在燈盤的底面放置柵格架505，每一個(gè)柵格對(duì)應(yīng)一個(gè)LED以及透鏡。
如圖6 圖7所示，柵格的深度為50mm，柵格的側(cè)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(huì)被柵格的側(cè)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(qū)動(dòng)電源506固定在燈盤底面頂部的倆條散熱器之間。 格柵的側(cè)面設(shè)置彈簧鉤，與格柵燈盤的側(cè)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(biāo)平面上的光強(qiáng)分布圖，圖13表示目標(biāo)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(shù)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(nèi)總透 光率高，出光均勻性良好，沒有不良眩光，光線柔和，室內(nèi)光效給人感覺舒適，可以廣泛 用于室內(nèi)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。
權(quán)利要求
1、用于LED室內(nèi)燈具的透鏡，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(shè)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(duì)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(zhǔn)面，建立坐標(biāo)系，其中，中心軸為Z軸，原點(diǎn)在中心軸且與中心軸垂直的方向?yàn)閄軸，通過將所述自由曲面在XZ平面上所對(duì)應(yīng)的曲線繞Z軸旋轉(zhuǎn)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其中P為目標(biāo)平面的光照度，R為最大照射半徑，I為LED中心光強(qiáng)，φ為LED出射光線與Z軸的夾角；(2)通過能量對(duì)應(yīng)關(guān)系求出目標(biāo)平面上的點(diǎn)與夾角φ的關(guān)系式其中xd為夾角為φ的光線經(jīng)透鏡折射后照射到目標(biāo)平面所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的X軸坐標(biāo)，求得(3)由折射公式求出所述曲線上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切線，通過求切線與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)，所述折射公式為其中n為折射率，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為單位法向量；(4)由步驟(3)得到所述曲線上離散的點(diǎn)坐標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)擬合得到所述曲線，然后將所述曲線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周可得到最終的自由曲面。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED室內(nèi)燈具的透鏡，其特征在于步驟(3)中通過求 切線與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)包括如下步驟首先將目標(biāo)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(duì)應(yīng)于光線與Z軸的夾角為^[l]到^[m]，通過所述步驟(2)求出^[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(diǎn)的坐標(biāo)再通過折射公式求出起始點(diǎn)的法向量N[ll(Nx[l]，Ny[l]，Nz[l]);由法向量和起始點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)即第l點(diǎn)的坐標(biāo)為(0， d);由1式和2式所得的兩直線相交，其交點(diǎn)就是曲線上第2點(diǎn)的坐標(biāo)(x[2],z[2]);依照上述方法，求出第m點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直線方程為Z=cot
]x,所對(duì)應(yīng)的切線方程為Nx[m-l](x-x[m-l])+Nz[m-l](z-z[m-l])=0;第m點(diǎn)的坐標(biāo)為(x[m],z[m])。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED室內(nèi)燈具的透鏡，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(diǎn)越多，由這些離散點(diǎn)坐標(biāo)通過計(jì)算機(jī)擬合能得到更精確的 所述曲線。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED室內(nèi)燈具的透鏡，其特征在于，所述^的大小為0 ;r/2 。
5、 根據(jù),!J要求1所述的用于LED室內(nèi)燈具的透鏡，其特征在于步驟(4)中把步驟 (3)計(jì)算出來的離散點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維制圖軟件，生成所述曲線，選定好旋轉(zhuǎn)軸，把曲線繞軸旋轉(zhuǎn)一周，即得所述自由曲面。
6、 包含權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的透鏡的格柵燈，包括燈盤、散熱器、柵格架、驅(qū) 動(dòng)電源、多個(gè)LED和透鏡，其特征在于多個(gè)LED通過導(dǎo)熱膠均勻排列貼裝在散熱器底面， 每個(gè)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(nèi)，散熱器的兩端設(shè)有用于安裝燈盤的螺孔；所述燈 盤的底座上設(shè)有多個(gè)燈孔，每個(gè)LED及透鏡穿過燈孔并伸到燈盤里面，在燈盤的底面設(shè)置 格柵架，每一個(gè)柵格對(duì)應(yīng)一個(gè)LED及其套有的所述透鏡。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的格柵燈，其特征在于所述柵格的內(nèi)腔為正四棱臺(tái)型，正四棱 臺(tái)的上頂面靠近燈盤的底面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的格柵燈，其特征在于所述正正四棱臺(tái)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(quán)利要求6所述的格柵燈，其特征在于所述LED采用貼片式白光大功率LED， 所述驅(qū)動(dòng)電源采用外插式恒流驅(qū)動(dòng)電源。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于LED室內(nèi)燈具的透鏡及包含該透鏡的格柵燈，所述透鏡的底面中部設(shè)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；所述格柵燈包括燈盤、散熱器、柵格架、驅(qū)動(dòng)電源、LED和透鏡，多個(gè)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(nèi)，散熱器的兩端設(shè)有用于安裝燈盤的螺孔；所述燈盤的底座上設(shè)有多個(gè)燈孔，每個(gè)LED及透鏡穿過燈孔并伸到燈盤里面，在燈盤的底面設(shè)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(nèi)總透光率高，出光均勻性良好，沒有不良眩光。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101504123SQ20091003780
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者張奇輝, 張小凡, 洪 王, 王海宏, 紀(jì)玲玲 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)