CN101255974A - 一种配光方法、配光杯及采用该配光杯的路灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配光方法、配光杯及采用该配光杯的路灯，所述配光方法将光源发出的光线部分直接照射到配光杯外构成直射光线组成长方形主光斑，部分照射到配光杯内壁后反射到配光杯外构成反射光线组成与所述主光斑形状对应的均匀的长方形叠加光斑；配光杯包括长方形的杯口，和采用自由曲面设计的杯壁，杯壁反射光线的散射角与杯口光线的散射角相同；路灯包括灯杆，安装在灯杆顶部的上述配光杯，配光杯内设置有光源，配光杯的杯口长边与马路方向同向，本发明具有光斑均匀，节省路灯数量等优点，适用于路灯及相关灯具的设计中。

Description

一种配光方法、配光杯及采用该配光杯的路灯

技术领域

本发明涉及一种光路设计方法，特别涉及一种配光方法；本发明还涉及一种实现所述方法的照明灯具配件，特别涉及一种配光杯；最后，本发明涉及一种灯具，一种使用上述配光杯的路灯。

背景技术

路灯一般包括灯杆，安装在灯杆顶端的灯头，灯头内安装有配光杯，配光杯内设置有光源。点光源发出的光线向立体空间呈朗伯体辐射，对于道路照明来说，我们仅仅需要向下一个方向的照明就够了，所以，配光杯的作用就在于将点光源向上和水平方向发散的光线向下反射，以提高照明效率。现有的配光杯一般是喇叭状的，光线经配光杯作用后，形成一个圆形的光斑，这种结构的配光杯，其反射壁设计不够科学，部分光线需要经过二次或多次反射后才能射出配光杯外，甚至有部分光无法反射出去，在一定程度上造成光能的浪费；再者，由于这种配光杯照射到路面形成圆形光斑，这样，该配光杯反射的光线就会有部分照射到路外面，又会有部分与路另一侧的路灯发生重叠，造成的光能的浪费；同时，由于路灯在道路的长度方向分布较短，所以还需要在单位长度内安装较多的路灯才能保持道路亮度的连续性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种配光方法，该配光方法可以使点光源发出的呈朗伯体辐射光线转换成照明均匀的长方形的光斑。

本发明通过下述技术方案来解决上述的技术问题：

一种配光方法，包括光源和配光杯，光源发出的光线部分直接照射到配光杯外构成直射光线，部分照射到配光杯内壁后反射到配光杯外构成反射光线；所述直射光线具有一预定的散射角，且组成长方形主光斑，所述反射光线在主光斑的长度方向散射角与直射光线的散射角相同，所述反射光线在主光斑的宽度方向上的散射角与直射光线的散射角相同，且反射光线组成与所述主光斑形状对应的均匀的长方形叠加光斑。

此外，本发明还可以通过附加以下的技术方案作进一步改进：

在光斑的长度方向上，直射光线的散射角为30°，反射光线的散射角同样为30°。

在光斑的宽度方向上，直射光线的散射角为62°，反射光线的散射角同样为62°。

本发明要解决的技术问题是：提供一种可以发出长方形光斑，出光率高，亮度高，照明均匀的配光杯。

本发明通过下述技术方案来解决上述的技术问题：

一种配光杯，包括杯底和杯壁，杯底和杯壁内表面设置有反光层，杯底中央用于安装光源，杯壁围成长方形的杯口，杯口的长度方向和宽度方向上的散射角为一预定值，杯壁内表面为根据斯涅尔定律用积分迭代法计算的自由曲面，杯壁长度方向的反射光线的散射角与杯口散射角相同，杯壁宽度方向上的反射光线的散射角与杯口散射角相同。

本发明的有益效果是：由于本发明将点光源转化成长方形的光斑射出，有利于本发明在狭长空间使用；反射光线经配光杯内壁反射后的光线组成与所述主光斑形状对应的长方形叠加光斑，这样，本发明的照明效率更高，照明亮度更高，光斑更均匀。

上述技术方案还可以通过以下附加技术特征进一步改进：

杯口长度方向上的散射角为30°，杯壁的长度方向反射光线的散射角为30°。

杯口宽度方向上的散射角为62°；杯壁的宽度方向反射光线的散射角为62°。

所述的反光层为介质膜或者金属膜。

所述反光层为铝电镀层。

本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种可以在地面上形成长方形光斑，出光亮度高，照明更均匀的路灯。

本发明通过下述技术方案来解决上述的技术问题：

一种路灯，包括灯杆，安装在灯杆顶部的配光杯，配光杯内设置有光源，所述配光杯杯口为长方形，其长度方向和宽度方向上的散射角为一预定值，杯壁内表面为根据斯涅尔定律用积分迭代法计算的自由曲面，杯壁的长度方向上反射光线的散射角与杯口散射角相同，杯壁的宽度方向上反射光线的散射角与杯口散射角相同，杯口的长度方向与马路方向同向。

本发明的有益效果是：由于所述配光杯能产生长方形，亮度高，照明均匀的光斑，与圆形的光斑相比，在相同的照明强度下，两灯杆间的距离可以相隔更远，这样在单位长度的马路上安装路灯的数量可以更少，达到节省路灯数量和节能的效果。

所述杯口长度方向上的散射角为30°，杯壁的长度方向反射光线的散射角为30°。

所述杯口宽度方向上的散射角为62°；杯壁宽度方向反射光线的散射角为62°。

所述灯杆顶部安装有多个配光杯，每一配光杯内各设置有一光源。

所述的多个配光杯整齐排列或交错排列。

所述光源为大功率LED。

所述配光杯的前面还设置有配光板。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，

图1是本发明配光杯的结构示意图；

图2是本发明配光杯内壁截面的结构示意图；

图3a是本发明配光杯宽度方向配光方案示意图；

图3b是本发明配光杯长度方向配光方案示意图；

图4是本发明配光杯杯壁曲面截面曲线的数学模型；

图5是本发明路灯的第一实施例的结构示意图；

图6是本发明路灯的第二实施例的结构示意图之一；

图7是本发明路灯的第二实施例的灯头的结构示意图之二；

图8是本发明路灯的第二实施例的灯头的结构示意图之三。

具体实施方式

参看图1和图2，首先介绍本发明配光杯1的结构及其制造方法进而说明本发明的配光方法原理和采用该配光杯1的路灯的结构。所述的配光杯1为一长方壳体，杯底11为长方形，中央设置有光源安装孔，于本发明中，所述光源应该采用点光源14，只要其发出的光线呈朗伯体辐射即可，就现有技术而言，该光源可以选用大功率LED、钨丝灯或荧光灯等。四面杯壁12、13围置成长方形的杯口，杯底11及杯壁12、13内表面皆设置有反光层，该反光层可以是介质膜如TiO₂，SiO₂或MgF₂，也可以是金属膜如镀铝、镀银，还可以直接在杯底11及杯壁12、13打磨光滑而成，或其他能够保证该曲面达到相当的反光效果的方法加工而得。

杯壁12、13的设计应该能将杯底11中央的点光源14发出的光线一次性反射到配光杯1外，减少光线在配光杯1多次反射造成的光能量损失，根据斯涅尔定律通过合理的设计杯壁12、13与杯底11的夹角就能做到这一点，当然为了控制反射光线的角度在一个小范围内变化，最终控制配光杯1投射出去的光斑的形状与光斑各区域的亮度，本发明的杯壁12、13采用自由曲面设计。

下面以配光杯1的长度方向的杯壁13设计为例说明本发明配光杯1的结构及设计原理，参考图3b和图4，以杯底11中央即光源14处为原点建立二维坐标，竖直方向为Y轴，水平方向为X轴。首先说明主光斑的散光角度的确定，所谓散光角度即是直接射出配光杯的光线与配光杯轴线(即是图4中的Y轴)的最大夹角，也可以说是恰好越过配光杯边缘直接射出的那支光线与配光杯轴线的夹角。该主光斑的散光角度对光斑的形状、亮度有很大的影响，在光源14与目标照明物之间距离不变的情况下，散光角度越大，光斑的面积也就越大，亮度越低，反之亦然，设计人员可以根据实际需要运用勾股定理来确定，例如若将本发明运用于路灯上，则可参考出射角为30°，安装高度为12M，得到宽度为13.8M的光斑。

再次说明反射光线散光角度的确定，所谓的反射光线的散光角度，指的是照射到配光杯1内壁13上每一点的反射光线与配光杯1轴线的夹角，本发明中，反射光线由于经过四面杯壁13的反射，其组成的叠加光斑也必然是与主光斑相似的长方形，再通过设计杯壁13的曲率控制杯壁13上每一点的反射光线的出光角度，从而控制叠加光斑的形状和亮度，让该叠加光斑叠加到主光斑的外围光线较弱的区域，最终使得经本配光杯配光1得到的光斑亮度比较均匀。首先确定最大出射角，即是照射到杯壁13最上沿的反射光线与配光杯1轴线的夹角，本发明的目的是让叠加光斑叠加到主光斑的外围光线较弱的区域，这时，该最大出射角应该与主光斑的出射角相等，这样，照射到左边杯口边缘的光线就可被反射到主光斑最右侧的边缘；然后，设计照射到杯口边缘以下的杯壁的反射光线的出射角等比缩小，反射光线朝主光斑内部移动，这样，就可以形成为主光斑由外至内补强的叠加光斑，使得最终光斑整体亮度均匀。

实现上述反光功能的杯壁曲面其实是根据斯涅尔定律用积分迭代法计算的自由曲面，参考图4，该曲面横截面的曲线满足以下方程组：

$\mathrm{Tan}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{y_n}{x_n}$

$\frac{{\mathrm{\Δy}}_n}{{\mathrm{\Δx}}_n}=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\β}-\mathrm{\α}))$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{I}{2}(\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})$

y_n+1＝y_n+Δy_n

x_n+1＝x_n+Δx_n

本发明以杯壁13高度(即杯口的Y轴坐标)为10MM，杯底宽度为6MM，主光斑的出光角度为30°，照射到配光杯内壁13的反射光线的出光角度由杯口至杯底依次以30°～0°等比渐变为例确定曲线上点的坐标，将杯壁高度等分成一千个点积分于是有：

Δy＝0.01

Δθ＝0.03°

上式中n为数值计算的当前点，n+1为数值计算的下一点，Δx，Δy，为曲线在x及y方向变化的微量。由初始条件：

α₀＝0

${\mathrm{\β}}_0=\frac{\mathrm{\π}}{4}$

x₀＝3

y₀＝0

由上述的方程组可以用积分迭代的数值计算方法从下往上一直算出曲线上每个点的坐标，如第一点的坐标为(3.00577，0.01)，第二点的坐标为(3.01152，0.02)，第三点的坐标为(3.01726，0.03)……最后一点的坐标为(5.77350，10)，本例中是将Y方向分成1000点来积分，根据实际精确度的需要，可以相应扩大或缩小积分点。同理，可以设计出配光杯宽度方向的杯壁的自由曲面。以主光斑在配光杯宽度方向上的出光角度为62°，照射到配光杯杯口内壁13的反射光线的出光角度由杯口至杯底依次以62°～30°等比渐变为例，最后得到的配光杯1安装高度在12M时，得到照明均匀的40MX13.8M的长方形光斑。以上取点计算可以通过计算机软件来辅助完成，然后将各点连接成光滑曲线，再通过计算机绘图软件生成模型，最后即可通过数控机床加工或精密铸造的方法生产制造。

参照图5，一种采用上述配光杯1的路灯，该路灯有两种实施方式，一是在灯杆2顶部安装一如上述的配光杯1，配光杯1内设置有光源14，该光源可以高压钠灯或大功率LED，所述配光杯1的长方形杯口沿马路方向。这样长方形光斑的长度方向沿马路方向延伸，与圆形的光斑相比，避免了光斑在马路中央重叠和光斑的部分投射到马路外，在相同的照明强度下，两灯杆间的距离可以相隔更远，这样在单位长度的马路上安装路灯的数量可以更少，达到节省路灯数量和节能的效果。此外，还可以在所用的反射式配光杯的前面加上具有散光结构的配光板15，这样能够起到防炫目的功能。

参考图6、7和8，路灯的另一种实施方式还可以在所述灯杆顶部设置有一灯头3，灯头3内设置有多个如上所述的配光杯1，每一配光杯1内各设置有一光源14，所有杯口的长边与马路方向平行，所述的多个配光杯1的排列方式可以是如图7所示的交错排列，也可以是如图8所示的整齐排列。

光斑的大小，亮度，与路灯的高度和LED的数量有关，以下是本发明的各种高度，和LED数量的路灯的测试数据，用户在实施设计中可以根据实际需要选择。

说明：以上灯具光通量为一个灯具测试得出的数据。选用的LED为1W LED。光通量为70～80LM/颗。

Claims (15)

1、一种配光方法，包括光源和配光杯，其特征在于：光源发出的光线部分直接照射到配光杯外构成直射光线，部分照射到配光杯内壁后反射到配光杯外构成反射光线；所述直射光线具有一预定的散射角，且组成长方形主光斑，所述反射光线在主光斑的长度方向散射角与直射光线的散射角相同，所述反射光线在主光斑的宽度方向上的散射角与直射光线的散射角相同，且反射光线组成与所述主光斑形状对应的均匀的长方形叠加光斑。

2、根据权利要求1所述的一种配光方法，其特征在于：在光斑的长度方向上，直射光线的散射角为30°，反射光线的散射角同样为30°。

3、根据权利要求1所述的一种配光方法，其特征在于：在光斑的宽度方向上，直射光线的散射角为62°，反射光线的散射角同样为62°。

4、一种配光杯，包括杯底和杯壁，杯底和杯壁内表面设置有反光层，杯底中央用于安装光源，杯壁围成长方形的杯口，其特征在于：杯口的长度方向和宽度方向上的散射角为一预定值，杯壁内表面为根据斯涅尔定律用积分迭代法计算的自由曲面，杯壁长度方向的反射光线的散射角与杯口散射角相同，杯壁宽度方向上的反射光线的散射角与杯口散射角相同。

5、根据权利要求4所述的一种配光杯，其特征在于：杯口长度方向上的散射角为30°，杯壁长度方向反射光线的散射角为30°。

6、根据权利要求4所述的一种配光杯，其特征在于：杯口宽度方向上的散射角为62°；杯壁宽度方向反射光线的散射角为62°。

7、根据权利要求4至6任一项所述的一种配光杯，其特征在于：所述的反光层为介质膜或者金属膜。

8、根据权利要求4至6任一项所述的一种配光杯，其特征在于：所述反光层为铝电镀层。

9、一种路灯，包括灯杆，安装在灯杆顶部的配光杯，配光杯内设置有光源，其特征在于：所述配光杯杯口为长方形，其长度方向和宽度方向上的散射角为一预定值，杯壁内表面为根据斯涅尔定律用积分迭代法计算的自由曲面，杯壁的长度方向上反射光线的散射角与杯口散射角相同，杯壁的宽度方向上反射光线的散射角与杯口散射角相同，杯口的长度方向与马路方向同向。

10、根据权利要求9所述的一种路灯，其特征在于：所述杯口长度方向上的散射角为30°，杯壁长度方向反射光线的散射角为30°。

11、根据权利要求9所述的一种路灯，其特征在于：所述杯口宽度方向上的散射角为62°；杯壁宽度方向反射光线的散射角为62°。

12、根据权利要求9至11任一项所述的一种路灯，其特征在于：所述灯杆顶部安装有多个配光杯，每一配光杯内各设置有一光源。

13、根据权利要求12所述的一种路灯，其特征在于：所述的多个配光杯整齐排列或交错排列。

14、根据权利要求9至11任一项所述的一种路灯，其特征在于：所述光源为大功率LED。

15、根据权利要求9至11任一项所述的一种路灯，其特征在于：所述配光杯的前面还设置有配光板。

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