一种大幅度提高灯具照射范围的方法及装置，其特征是：首先，采用COB模块LED点光源为光源；其次，将LED点光源先罩装在一个入射凹面（11）中，使LED点光源经过入射凹面（11）的一次折射；第三，在入射凹面（11）外再罩装一个配光自由曲面（12），使经过入射凹面（11）一次折射后的光线再经过配光自由曲面（12）的折射后产生大角度偏转，经过两次折射后，实现峰值光强沿与路面走向垂直方向的方位与光轴的夹角在60o～75o之间，沿与路面走向一致方向的配光角为120o～150o，以实现单个COB模块LED点光源至少6车道照明及至少35米的间隔照明或者高杆灯具远距离照明。本发明能实现单灯至少6车道照明。
1.一种大幅度提高路灯、高杆灯照射范围的方法，其特征是：
其次，将LED面光源先罩装在一个入射凹面(11)中，使LED点光源经过入射凹面(11)的一次折射；
第三，在入射凹面(11)外再罩装一个配光自由曲面(12)，使经过入射凹面(11)一次折射后的光线再经过配光自由曲面(12)的折射后产生大角度偏转，经过两次折射后，实现峰值光强沿与路面走向垂直方向的方位与光轴的夹角在60°～75°之间，沿与路面走向一致方向的配光角为120°～150°，以实现单个COB模块LED点光源至少6车道照明及至少
所述的配光自由曲面(12)沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线上的每点(x,y)的坐标值由以下单根光线的配光条件确定： 公式(1)
式中：θ2为当入射光线OP与光轴OZ的夹角为α时，出射光线与光轴OZ的夹角，OP为从COB模块LED中心O点发出的光线OP入射到入射凹面(11)上，OZ为经过COB模块LED中心O点且垂直于其安装底面的轴线，折射光线PQ经过所述的配光自由曲面(12)进行配光，配光后以光线QS射出；
-ξ1、ξ2：为入射角α为-90°及+90°时的边缘光线的最大配光角时所希望得到的最大偏转角，它们的绝对值取值为60-75度之间，偏转后的出射光线QS的配光角θ2分布在与光轴夹角为-ξ1至ξ2之间的范围内，这里关于角度正负号的定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正；α的取值介于-ξ1和ξ2之间；
所述的入射曲面(11)沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线由一段倾斜的椭圆弧A-B-C和一段圆弧C-D组成，椭圆弧A-B-C的长轴为OC，短轴为OB，OC的取值为面光源直径的1～1.5倍之间，长轴与短轴的比例OC/OB介于1.2～2.5之间，短轴OB有一个倾斜角，它与光轴OZ的夹角为τ，τ的取值在15°～20°之间，圆弧与倾斜椭圆相切，入射凹面(11)的靠近A一侧对角线OL和OF较长，靠近D一侧的对角线OJ和OH较短，其比例为OL/OJ介于1.1至1.3之间；
所述入射凹面(11)和配光自由曲面(12)由前述的剖面曲线根据沿下述条件确定的曲线扫掠形成： 公式(2)
式中ψ为入射凹面(11)的入射角β为±90°时所需的边缘光线的最大配光角，配光角θ1分布在与光轴夹角为±ψ之间，这里关于光线角度的正负号同样定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的COB模块LED面光源的直径小于30mm。
3.一种大幅度提高路灯照射范围的路灯透镜或者高杆灯透镜，它包括COB模块LED光源，其特征是所述的COB模块LED光源上罩装有一次入射凹面透镜，在一次入射凹面透镜上罩装有配光曲面透镜，配光曲面透镜在垂直于道路的Y‐Y方向，其配光曲线的偏转角在峰值光强的方位与光轴的夹角在60°～75°之间；在沿着道路的X‐X方向，其配光角为
120°～150°；所述的配光曲面透镜的沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线上的每点(x,y)的坐标值由以下单根光线的配光条件确定： 公式(1)
式中：θ2为当入射光线OP与光轴OZ的夹角为α时，出射光线与光轴OZ的夹角，OP为从COB模块LED中心O点发出的光线OP入射到入射凹面(11)上，OZ为经过COB模块LED中心O点且垂直于其安装底面的轴线，折射光线PQ经过所述的配光自由曲面(12)进行配光，配光后以光线QS射出；
-ξ1、ξ2：为入射角α为-90°及+90°时的边缘光线的最大配光角时所希望得到的最大偏转角，它们的绝对值取值为60-75度之间，偏转后的出射光线QS的配光角θ2分布在与光轴夹角为-ξ1至ξ2之间的范围内，这里关于角度正负号的定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正；α的取值介于-ξ1和ξ2之间；
所述的一次入射凹面透镜沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线由一段倾斜的椭圆弧A-B-C和一段圆弧C-D组成，椭圆弧A-B-C的长轴为OC，短轴为OB，OC的取值为面光源直径的1～1.5倍之间，长轴与短轴的比例OC/OB介于1.2～2.5之间，短轴OB有一个倾斜角，它与光轴OZ的夹角为τ，τ的取值在15°～20°之间，圆弧与倾斜椭圆相切，入射凹面(11)的靠近A一侧对角线OL和OF较长，靠近D一侧的对角线OJ和OH较短，其比例为OL/OJ介于1.1至1.3之间；
所述一次入射凹面透镜和配光曲面透镜由前述的剖面曲线根据沿下述条件确定的曲线扫掠形成：
式中ψ为入射凹面(11)的入射角β为±90°时所需的边缘光线的最大配光角，配光角θ1分布在与光轴夹角为±ψ之间，这里关于光线角度的正负号同样定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正。
4.根据权利要求1所述的大幅度提高路灯照射范围的路灯透镜或高杆灯透镜，其特征是所述的配光自由曲面(12)的宽度为102.2092285mm，高度为50.8887939mm，所有尺寸的误差为正负1毫米。
大幅度提高路灯照射范围的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种照明技术，尤其是一种通过配光技术使单一光源能实现至少六车道和间隙45米以下的道路照明或者高杆灯照明的方法及装置，具体地说是一种大幅度提高灯具照射范围的方法及装置。
背景技术
[0002] 目前，现有用于广场照明的LED高杆灯，由于需要照明至少75米远的范围，而光学透镜或者反光杯本身的配光偏转角又不够，安装的时候往往需要将灯具调很大的仰角，才能将光照射到灯杆对面的地上，从而导致很多光线直接射向天空，造成光污染。由于广场照明的高杆灯的功率都比较大，而且一个灯杆上需要安装360°一圈的灯具，灯具的数目较多，其所产生的直接射向天空的眩光较强，对高空飞行的飞机也会有不好的影响（飞行员会误认为是导航灯），另外射向天空的强光照亮云层，形成的嘈杂背景光遮盖了星光，改变了夜空本来应有的颜色，从而削弱了夜晚宁静的气氛。
[0003] 另外，现有用于道路照明的LED路灯的二次光学透镜，基本上是根据2至5车道的要求进行设计的。在垂直于道路方向，光学透镜本身的偏转角基本上在30°至50°以内。由于偏转角不够，其所产生的光线达不到6～7车道这么远，满足不了6～7车道的道路照明要求。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有的LED照明路灯由于二次光学透镜设计不合理，导致难以满足单侧路灯6车道以上照明或者广场用照明的问题，发明一种大幅度提高灯具照射范围的方法及装置。
[0005] 本发明的技术方案之一是：
[0006] 一种大幅度提高路灯、高杆灯照射范围的方法，其特征是：
[0007] 首先，采用COB模块LED面光源为光源；
[0008] 其次，将LED面光源先罩装在一个入射凹面中，使LED点光源经过入射凹面的一次折射；
[0009] 第三，在入射凹面外再罩装一个配光自由曲面，使经过入射凹面一次折射后的光线再经过配光自由曲面的折射后产生大角度偏转，经过两次折射后，实现峰值光强沿与路面走向垂直方向的方位与光轴的夹角在60°～75°之间，沿与路面走向一致方向的配光角为120°～150°，以实现单个COB模块LED点光源至少6车道照明及至少35米的间隔照明或者满足高杆照明要求；
[0010] 所述的配光自由曲面沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线上的每点（x,y）的坐标值由以下单根光线的配光条件确定：
[0011]
[0012] 式中：θ2为当入射光线OP与光轴OZ的夹角为α时，出射光线与光轴OZ的夹角，OP为从COB模块LED中心O点发出的光线OP入射到入射凹面（11）上，OZ为经过COB模块LED中心O点且垂直于其安装底面的轴线，折射光线PQ经过所述的配光自由曲面（12）进行配光，配光后以光线QS射出；
[0013] -ξ1、ξ2：为入射角α为-90°及+90°时的边缘光线的最大配光角时所希望得到的最大偏转角，它们的绝对值取值为60-75度之间，偏转后的出射光线QS的配光角θ2分布在与光轴夹角为-ξ1至ξ2之间的范围内，这里关于角度正负号的定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正；α的取值介于-ξ1和ξ2之间；
[0014] 所述的入射曲面沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线由一段倾斜的椭圆弧A-B-C和一段圆弧C-D组成，椭圆弧A-B-C的长轴为OC，短轴为OB，OC的取值为面光源直径的1～1.5倍之间，长轴与短轴的比例OC/OB介于1.2～2.5之间，短轴OB有一个倾斜角，它与光轴OZ的夹角为τ，τ的取值在15°～20°之间，圆弧与倾斜椭圆相切，入射凹面的靠近A一侧对角线OL和OF较长，靠近D一侧的对角线OJ和OH较短，其比例为OL/OJ介于1.1至1.3之间；
[0015] 所述入射凹面（11）和配光自由曲面（12）由前述的剖面曲线根据沿下述条件确定的曲线扫掠形成：
[0016]
[0017] 式中ψ为入射凹面的入射角β为±90°时所需的边缘光线的最大配光角，配光角θ1分布在与光轴夹角为±ψ之间，这里关于光线角度的正负号同样定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正。
[0018] 所述的COB模块LED面光源的直径小于30mm。
[0019] 本发明的技术方案之二是：
[0020] 一种大幅度提高路灯照射范围的路灯透镜或者高杆灯透镜，它包括COB模块LED光源，其特征是所述的COB模块LED光源上罩装有一次入射凹面透镜，在一次入射凹面透镜上罩装有配光曲面透镜，配光曲面透镜在垂直于道路的方向（Y‐Y方向），其配光曲线的偏转角在峰值光强的方位与光轴的夹角在60°～75°之间；在沿着道路方向（X‐X方向），其配光角为120°～150°；所述的配光曲面透镜的沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线上的每点（x,y）的坐标值由以下单根光线的配光条件确定：
[0021]
[0022] 式中：θ2为当入射光线OP与光轴OZ的夹角为α时，出射光线与光轴OZ的夹角，OP为从COB模块LED中心O点发出的光线OP入射到入射凹面（11）上，OZ为经过COB模块LED中心O点且垂直于其安装底面的轴线，折射光线PQ经过所述的配光自由曲面（12）进行配光，配光后以光线QS射出；
[0023] -ξ1、ξ2：为入射角α为-90°及+90°时的边缘光线的最大配光角时所希望得到的最大偏转角，它们的绝对值取值为60-75度之间，偏转后的出射光线QS的配光角θ2分布在与光轴夹角为-ξ1至ξ2之间的范围内，这里关于角度正负号的定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正；α的取值介于-ξ1和ξ2之间；
[0024] 所述的一次入射凹面透镜沿与道路走向垂直方向且经过COB模块LED点光源的剖面轮廓线由一段倾斜的椭圆弧A-B-C和一段圆弧C-D组成，椭圆弧A-B-C的长轴为OC，短轴为OB，OC的取值为面光源直径的1～1.5倍之间，长轴与短轴的比例OC/OB介于1.2～2.5之间，短轴OB有一个倾斜角，它与光轴OZ的夹角为τ，τ的取值在15°～20°之间，圆弧与倾斜椭圆相切，入射凹面（11）的靠近A一侧对角线OL和OF较长，靠近D一侧的对角线OJ和OH较短，其比例为OL/OJ介于1.1至1.3之间；
[0025] 所述一次入射凹面透镜和配光曲面透镜由前述的剖面曲线根据沿下述条件确定的曲线扫掠形成：
[0026]
[0027] 式中ψ为入射凹面（11）的入射角β为±90°时所需的边缘光线的最大配光角，配光角θ1分布在与光轴夹角为±ψ之间，这里关于光线角度的正负号同样定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正。
[0028] 4、根据权利要求1所述的大幅度提高路灯照射范围的路灯透镜或高杆灯透镜，其特征是所述的配光自由曲面（12）的宽度为102.2092285mm，高度为50.8887939mm，所有尺寸的误差为正负1毫米。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] 本发明实现了在垂直于道路的方向（Y‐Y方向），其配光曲线有一个非常大的偏转角，其峰值光强的方位与光轴的夹角在60°～75°之间；当它装在20米高的高杆灯上时，可以均匀地照明地面40～50米以上的范围。该透镜在沿着道路方向（X‐X方向），其配光曲线呈蝙蝠翼形状，其配光角为120°～150°，因此其除了可以照射6～7车道的宽度外，其还可以满足沿着道路方向灯杆间距为35米的道路照明的要求，因而可以适用于6～7车道的道路照明。
附图说明
[0031] 图1是本发明的结构示意图。
[0032] 图2是图1所示的路灯沿Y-Y方向及X-X方向的剖面图。
[0033] 图3是图1所示的路灯在Y-Y剖面的配光原理示意图。
[0034] 图4是图1所示的路灯在Y-Y剖面对单根光线的配光示意图。
[0035] 图5是图1所示的路灯在Y-Y方向剖面对单根光线配光时出射角θ2与入射角α之间的关系曲线示意图。
[0036] 图6是本发明的入射凹面11在Y-Y方向的剖面图及仰视图。
[0037] 图7是图1所示的路灯在X-X方向的剖面及配光原理示意图。
[0038] 图8是图7中单根光线的配光示意图。
[0039] 图9是图8中单根光线配光时出射角θ1与入射角β之间的曲线关系示意图。
[0040] 图10是本发明的路灯的光线追迹示意图。
[0041] 图11是图1所示的路灯在10米远处的光斑形状及照度分布示意图。
[0042] 图12是本发明的配光曲线（光强的远场角度分布）示意图。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0044] 如图1-12所示。
[0045] 本发明的带有二次配光的双透镜的结构示意图如图1所示。它由下方鹅蛋形入射凹面11、上方配光自由曲面12、底面平面13、以及安装用的四方形平台14组成。其沿Y‐Y方向及X‐X方向的剖面图如图2所示，其入射凹面11，一边较深，另一边较浅，而配光自由曲面12则对应于入射凹面相反的方向一边较斜，另一边较凸。光轴OZ经过COB模块LED发光面的中心、并垂直于COB模块LED发光面，其偏向配光自由曲面12较斜的一边。所谓的COB模块LED，其英文名为：Chips on board，意思为许多芯片集成于同一个印刷电路板上的集成光源，其发光面直径在φ30mm以内，这里优选其发光面直径为φ28mm。用于安装的四方形平台14，其尺寸不受限制，这里优选为长宽为112mm×117mm，4个角有一个R30mm的倒圆。所述的配光自由曲面12如图1所示，其长和宽都在120mm以内，高度在55mm以下，本发明优选其宽度为102.2092285mm、高度为50.8887939mm，所有尺寸的误差为正负1毫米。
[0046] 本发明的二次光学透镜在Y-Y剖面的配光原理如图3所示。从COB模块LED发光面中心O点发出的所有光线，经过凹面11折射，再经过上方的自由配光曲线12进行配光，配光后的出射光线分布在与光轴夹角在-ξ1至ξ2之间的范围内，其中-75°≤-ξ1≤-65°、55°≤ξ2≤65°，本实施例优选-ξ1为-72.5°，ξ2为
62.5°。
[0047] 本发明的二次光学透镜Y-Y剖面对单根光线的配光如图4所示。从COB模块LED中心O点发出的光线OP入射到凹面11上，折射光线PQ经过上方的配光自由曲面12进行配光，配光后以光线QS射出。假设入射光线OP与光轴OZ的夹角为α，出射光线与光轴OZ的夹角为θ2，那么出射角θ2与入射角α满足以下的配光条件：
[0048]
[0049] 公式1中，‐ξ1和ξ2为图3所示的当入射角α为‐90°及+90°时的边缘光线的最大配光角，本发明优选‐ξ1为‐72.5°，ξ2为62.5°，配光后的出射光线QS的配光角θ2分布在与光轴夹角为‐ξ1至ξ2之间的范围。这里关于角度正负号的定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正。根据公式1，该配光角θ2与入射角α之间的关系曲线如图5所示。该本发明所述的二次光学透镜，其配光自由曲面12的Y‐Y剖面轮廓线上每点(X,Y)的坐标值可利用现有技术并根据上述的配光条件进行计算，为提高速度可利用计算机编程。α取值越多，则所拟合出的曲线的精度越多，配光效果越好。
[0050] 由图1和图6可看出，本发明的入射凹面11整体上呈鹅蛋形结构，入射凹面11在Y‐Y剖面以及底面的视图如图6所示。其在Y‐Y剖面的轮廓线中的线段A‐B‐C为一段倾斜的椭圆弧，其长轴为OC，短轴为OB，OC的取值为COB模块LED面光源直径的1～1.5倍之间，长轴与短轴的比例OC/OB介于1.2～2.5之间，这里优选比例为1.6。短轴OB有一个倾斜角，其与光轴OZ的夹角为τ，τ值可在15°～20°之间，本发明优选的倾斜角τ为17.5°。线段CD为一段以O点为圆心的圆弧，其与倾斜椭圆A‐B‐C相切于C点。在图6右侧的仰视图中，入射凹面11的靠近A一侧对角线OL和OF较长，靠近D一侧的对角线OJ和OH较短，其比例为OL/OJ介于1.1至1.3之间，优选该比例为1.2。
[0051] 本发明的二次光学透镜在X-X剖面的配光原理如图7所示。从COB模块LED发光面中心O点发出的所有光线，经过凹面11折射，折射后再经过上方的自由配光曲线12进行配光，配光后的出射光线分布在与光轴夹角为±ψ之间的范围，其中60°≤ψ≤75°，优选ψ为70°。
[0052] 本发明的二次光学透镜在X-X剖面对单根光线的配光如图8所示。从COB模块LED中心O点发出的光线OU入射到凹面11上，折射光线UV再经过上方的配光自由曲面12进行配光，配光后以出射光线VW射出。假设入射光OU与光轴OZ的夹角为β，出射光线VW与光轴OZ的夹角为θ1，那么出射角θ1与入射角β满足以下的配光条件：
[0053]
[0054] 公式2中，ψ为图7所示的当入射角β为±90°时的边缘光线的最大配光角，本发明优选ψ为70°，配光后的出射光线VW的配光角θ1分布在与光轴夹角为±ψ之内的范围。这里关于光线角度的正负号同样定义为：光线偏向光轴OZ左边的为负，光线偏向光轴OZ右边的为正。根据公式2，该配光角θ1与入射角β之间的关系曲线如图9所示。配光自由曲面12的X‐X剖面轮廓线上每点(X,Y)的坐标值，可根据上述的配光条件，利用计算机编程，采用数学迭代法，计算完成，β取值越多，则拟合得到的图7所示的曲面12的剖面曲线的精度越高。从图7、8中可看出曲面11的剖面曲线为一条直径等于OC的圆弧线。
[0055] 将拟合得到的图4所示的曲面12的剖面线及图4所示的入射面11的剖面线在图8所示的拟合曲线上进行扫掠形成，即可建成所需的入射凹面11和配光自由曲面12，所形成的光斑也基本上为四方形。
[0056] 以下为本发明所述二次光学透镜的计算机模拟及光度分析，假设COB模块LED为250瓦，光通量为25000流明，发光面大小为φ28mm，透镜的仰角为0°，屏幕放置在10米远处。图10为本发明所述二次光学透镜的具体实施方案的光线追迹。可以看出透镜在X‐X方向（左图），其光束发散角很大，而在Y‐Y方向（右图），其光线为大角度倾斜照射。图11为本发明所述二次光学透镜的具体实施方案在10米远处的光斑形状及照度分布，光斑图也成非对称分布，光斑中心不在叉丝的交叉位置。图12为本发明所述二次光学透镜的具体实施方案的配光曲线。可以看出沿着X‐X方向，配光曲线呈蝙蝠翼分布，其光束角大小为±70.4451648489361450°（光束角全角约为140°），沿着Y‐Y方向，配光曲线由一个非常大的偏转角，最大峰值光强的方位，偏轴约为68°，达到预期的目标。
[0057] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
