CN201803227U - 一种采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的led灯具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的LED灯具，包括用于安装LED的基板、反射罩、电源和上盖，其中在LED的前端安装有聚光透镜，聚光透镜用于收拢LED的光束角LED为多个，以矩阵方式排列成平行光阵列；反射罩具有对经过曲面壁反射控光的光线进行反射控光的曲面。该LED灯具通过一次透镜聚光和一次反射控光，实现整个照明范围内的均匀照明，具有优异的光照方向性，而且亮度均匀，能够有效地消除眩光。

Description

一种采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的LED灯具 

技术领域

本实用新型涉及一种采用透镜聚光方式，从而形成近似平行光阵列配光方式的LED(发光二极管)灯具，同时也涉及使用该LED灯具的路灯，属于照明技术领域。 

背景技术

在室外路面、广场等广阔区域，传统的照明灯具为高压钠灯或金属卤化物灯。高压钠灯或金属卤化物灯的光效为60～80lm/W，寿命在6000小时左右。目前，LED灯具的光效为100～120lm/W，寿命高达到25000小时以上，而且不含有害金属汞。随着半导体技术的发展，这些方面的性能还在不断提高。因此近几年来，环保节能的LED照明灯具开始逐渐在市场上流行。 

现有的LED照明灯具主要有两种实现形式：一种是将LED光源(以下简称LED)放置于传统灯具内；另一种是将LED均匀排布，采用局部反射罩或局部透镜进行控光。但这两种实现形式仍然未能克服传统照明灯具的缺陷。这些缺陷包括：第一.光照方向性差。照射区域性不明显，也就是说照到了不需要的地方。在产生同样光通量的情况下，造成需要照射的区域亮度下降。第二.亮度不均匀，造成了近距离亮、远距离暗的现象。要么距离较远区域的照度不达标准，要么距离较近区域的照度远远高于标准。因为光照分布不均匀，为使道路两侧和相邻两灯之间的暗区达到照明标准，所以设计时不得不采用更大功率、更高光通量的光源以满足暗区的照度要求，从而造成了电能的浪费。第三.不能消除眩光现象。所谓眩光现象是指当人们观察某一视觉对象时，如果视场中有一耀眼的发光点，就会影响观察效果，而且会使人感到不舒适。第四.没有解决好散热问题。目前LED的能耗中约80％以上转化为热量，而半导体器件是不耐高温的，如此多的LED集中在相对小的空间，持续积累的热量将使LED芯片温度过高。如果不能将所产生的热量即时散掉，LED在高温下会发生光效和寿命的严重下降。而目前的LED灯具多将散热器水平放置，热对流的效果不好。 

产生上述缺陷的根本原因在于：现有技术未能充分利用LED的光线定向性特点，未能对LED所产生的光线进行合理有效地控制，也未能对LED灯具进行有效的散热。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的LED灯具。该LED灯具具有优异的光照方向性，而且亮度均匀。 

为了实现上述的目的，本实用新型采用下述的技术方案： 

一种采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的LED灯具，包括用于安装LED的基板、反射罩、电源和上盖，其特征在于： 

在所述LED的前端安装有聚光透镜，所述聚光透镜用于收拢所述LED的光束角； 

所述LED为多个，以矩阵方式排列形成近似平行光阵列； 

所述反射罩具有对经过所述曲面壁反射控光的光线进行反射控光的曲面。 

其中，所述LED灯具中还具有散热器，所述散热器具有多个沿水平方向排列的散热齿片，所述散热齿片沿与地面垂直的方向延伸。 

所述基板和所述反射罩安装在所述散热器上。 

所述基板、所述反射罩和所述散热器分别有两个，对称地安装在所述LED灯具的两侧，其中所述散热器安装在外侧，所述基板安装在中间，所述反射罩安装在内侧。 

所述反射罩的曲面具有将沿竖直方向的多个LED的光线反射到第一预定范围的竖直曲率，所述第一预定范围内各处分配到的LED数量与沿竖直方向的LED数量之比例与该处与LED距离的平方成正比。 

所述反射罩的曲面具有将沿水平方向的多个LED的光线反射到第二预定范围的水平曲率，所述第二预定范围内各处分配到的LED数量与沿水平方向的LED数量之比例与该处与LED距离的平方成正比。 

本实用新型所提供的LED灯具具有优异的光照方向性、亮度均匀、 能够消除眩光并且散热性能优异。该LED灯具具有结构简单、安装方便、节能环保等多方面的优点。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。 

图1是本实用新型中使用LED灯具的路灯示意图； 

图2是本实用新型所提供的LED灯具的结构示意图； 

图3是图2所示的LED灯具中聚光透镜的安装示意图； 

图4是由多个LED和聚光透镜组成的平行光阵列的示意图； 

图5是图2所示的LED灯具的反射罩结构的放大示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所提供的LED灯具安装在高度为H米的路灯上(H为自然数，下同)，用于路面照明。可以理解，本LED灯具也可以安装在其他的室内、外照明设备上，例如球场照明灯、广场照明设备、景观灯等。下面仅以路灯为例，对本LED灯具的结构进行说明。 

参见图1，路灯的照明范围为以该路灯为中心，沿马路的长方向上长度为3.0H米(即起始位置为线段e，终止位置点为线段f)，宽方向上长度为1H米(即起始位置为线段g，终止位置点为线段h)的范围。因为LED灯具在马路长方向左右对称，所以在此处省略路灯左侧部分，只讨论路灯右侧部分，即沿马路的长方向上，路灯右侧长1.5H米、宽1H米的范围。由于光线的衰减程度与照射距离的平方成正比，在同样的照射强度下，离路灯的光源中心越远，亮度越小。假设位于LED灯具的正下方的近点A处(近似认为是路灯所在位置)的亮度为1个单位，那么距离路灯1.5H米的远点B处的亮度约为0.33个单位。为了使A处和B处有同样的亮度，在远点B处就需要3倍于近点A处的光通量(光照强度)。同理可知在LED灯具的照明范围内的任意一点的光照强度。为了使在该照明范围内的光照强度分布均匀，需要在光源，即LED灯具上，将光照强度按照射距离进行分配，并沿着一定方向反射到指定区域，从而控制光线有效且均匀地投射到所需区域。 

为了满足上述的要求，本LED灯具根据LED光源的定向特性，通过第一次透镜聚光，改变光源的发散角度形成近似平行光阵列，再通过第 二次反射控光，实现所要求的控光效果。 

下面结合图2～图5，对本LED灯具进行详细说明。 

如图2所示，本LED灯具可以包括基板1、反射罩2、散热器3、安装架4、电源5以及上盖6。其中，基板1上还包括多个聚光透镜11，安装架4上包括前堵头41、固定板42、后堵头43。 

如图3所示，基板1上排列安装有多个LED 10，在每个LED 10的前端安装有聚光透镜11。该聚光透镜11优选使用锥型或杯型的折反射式透镜，可以在正前方用穿透式聚光，锥形面可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠(角度相同)就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果。利用该聚光透镜11，可以将LED光源的发光角度汇聚收拢，例如LED光源本身的光束角在120度左右，通过聚光透镜11后，光束角可以收拢在10度左右。 

在实践中，聚光透镜11可以采用硅胶、光学级PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、光学级PC(聚碳酸酯)以及玻璃材料来制作。从户外路灯受紫外线照射、透光率及易生产角度考虑，优选采用光学级PC制作。但根据实际需要使用其它的材料也是可行的。 

如图4所示，为了使LED灯具产生方向性好的平行光，可以将多个LED 10以矩阵方式排列成平行光阵列。利用这种平行光阵列，能把大角度的发散光以近似平行光的配光方式照射到反射罩2上，再由反射罩2进行精确的控光。 

反射罩2的整体形状类似箱体，本身具有一定的刚性和稳定性。该反射罩2具有曲面21、定位安装孔22和用于将反射罩2反射后的光线照射到外部的光线出射口23。定位安装孔22和光线出射口23分别位于曲面21的两侧。定位安装孔22设置在反射罩2的边沿，用于直接连接基板1，可以有效保证基板1的位置精度，进而使从LED 10发出的光到反射罩2的位置不会偏离。 

曲面21的曲率根据LED灯具需要照明的范围和均匀照射的控光要求进行确定。具体而言，该曲面21具有将沿准竖直方向的M个LED的光线反射到马路长方向的近点A到马路长方向的远点B范围的竖直曲率，其中对应马路长方向上各处分配到的LED的数量与沿准竖直方向的LED总量(即M个)之比例与该处与LED距离的平方成正比；同理，曲面21具 有将沿准水平方向的N个LED的光线反射到马路宽方向的近点C到马路宽方向的远点D范围的水平曲率，其中对应马路宽方向各处分配到LED的数量与沿准水平方向的LED总量(即N个)之比例与该处与LED距离的平方成正比。上述的竖直曲率和水平曲率可以根据几何光学的基本原理计算获得，在此就不详细赘述了。M、N为自然数，其大小应该满足控光精度和亮度要求。 

如图5所例，假设LED灯具需要照明从A处到B处的范围，并且反射罩2要反射来自4n个(n为自然数，下同)串联的LED的光线。前已述及，为了使A处和B处有同样的亮度，在远点B处需要3倍于近点A处的光照强度。为此，曲面21将来自最上方的n个LED的光线反射到A处，并将来自另外3n个LED的光线反射到B处。这样，一方面保证光线能够覆盖从A处到B处的整个区域，而几乎不会照到其他不需要的区域，确保良好的光照方向性；另一方面也保证了B处的光照强度与A处的光照强度相等，即在整个照明范围内亮度均匀。 

散热器3兼起支撑作用。它具有沿水平方向排列的多个散热齿片31。散热齿片31沿与地面垂直的方向延伸。在散热器3周围的空气受热后，因密度减小而向上运动。由于散热器3中的散热齿片31的排列与热空气上升方向一致，因此循环路程短，热交换快，散热效率高。 

安装架4上的前堵头41，一方面用于安装固定板42，另一方面用于装饰。固定板42用于安装电源5。后堵头43起支撑作用，一方面与前堵头41一起安装固定板42，另一方面通过散热器3配合安装左右对称的两个反光封闭组件(后面有进一步的说明)。LED灯具通过后堵头43上的灯杆连接机构安装在灯杆上。 

在本LED灯具中，将聚光透镜11安装到LED 10的前端，再将基板1和聚光透镜11安装在散热器3上，再与反射罩2及透光板一起组成反光封闭组件。两个反光封闭组件通过各自的散热器对称安装在后堵头43上，前堵头通过两侧的安装孔分别安装在左右对称的两个散热器上，固定板42安装在前堵头与后堵头上。即，基板1、反射罩2和散热器3分别有两个，通过散热器对称地安装在后堵头43上，并且基板1在反射罩2的外侧，散热器3在基板1的外侧。固定板42的上方中部位置是电源5，上面覆盖上盖6。上述设计方案使本LED灯具的整体结构简洁，散热结构 合理，外观圆弧过渡，迎风面小，在实际环境的应用中更加合理。 

下面进一步说明反射罩2的工作原理。 

从聚光透镜11发出的平行光阵列会照到反射罩2的整个反射曲面上，以进行准确控光。如图5所示，最上方的LED发出的光线，经过聚光透镜11的聚光作用，照射到反射罩2的曲面21上。假设每个LED的光通量为A，n个LED的光线经反射罩2上的对应区域反射，到达A点(与LED的距离为H)，光照强度为k.nA/H²(k为比例系数)。3n个LED的光线经反射罩上的对应区域反射，到达B点(与LED的距离为1.5H)，光照强度为k.(3nA)/[H²+(1.5H)²]≈k.nA/H²，可见A、B两处的光强相等，同样地，在A点到B点之间按照上述原则分配LED的数量，即可保证AB方向(马路长方向)上的光强处处相等；同理，也可保证马路宽方向上的光强处处相等，从而达到在一定区域内的均匀照射的效果。 

由于没有光的直接照射和亮度的突变，加上反射罩2的控光角度设计，本LED灯具消除了不合理眩光，满足了光照环境的使用效果，在室内、外照明中具有广泛的应用前景。 

以上对本实用新型所提供的采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的LED灯具进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。 

Claims (6)

1.一种采用透镜形成近似平行光阵列配光方式的LED灯具，包括用于安装LED的基板、反射罩、电源和上盖，其特征在于：

在所述LED的前端安装有聚光透镜，所述聚光透镜用于收拢所述LED的光束角；

所述LED为多个，以矩阵方式排列形成近似平行光阵列；

所述反射罩具有对经过所述曲面壁反射控光的光线进行反射控光的曲面。

2.如权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：

所述LED灯具中还具有散热器，所述散热器具有多个沿水平方向排列的散热齿片，所述散热齿片沿与地面垂直的方向延伸。

3.如权利要求2所述的LED灯具，其特征在于：

所述基板和所述反射罩安装在所述散热器上。

4.如权利要求3所述的LED灯具，其特征在于：

所述基板、所述反射罩和所述散热器分别有两个，对称地安装在所述LED灯具的两侧，其中所述散热器安装在外侧，所述基板安装在中间，所述反射罩安装在内侧。

5.如权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：

所述反射罩的曲面具有将沿竖直方向的多个LED的光线反射到第一预定范围的竖直曲率，所述第一预定范围内各处分配到的LED数量与沿竖直方向的LED数量之比例与该处与LED距离的平方成正比。

6.如权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：

所述反射罩的曲面具有将沿水平方向的多个LED的光线反射到第二预定范围的水平曲率，所述第二预定范围内各处分配到的LED数量与沿水平方向的LED数量之比例与该处与LED距离的平方成正比。 

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