CN101556025A - 用于led灯具的反射杯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于LED灯具的反射杯，包括反射面和底面，LED放置于底面的中央，LED的一部分光直接从反射杯的开口射出，该部分光到达目标平面上形成初始的照明面，反射杯的反射面反射其余的光到该初始的照明面上，使该两部分光的能量叠加后形成均匀照明面，反射杯的反射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定：所述反射杯为中心轴对称形状，以过该反射杯中心轴的截面为基准面，建立坐标系，中心轴为Z轴，原点在中心轴上，LED光源放置在原点，过原点且与中心轴垂直的方向为X轴，通过将所述自由曲面在XZ平面上所对应的曲线绕Z轴旋转一周即得到自由曲面的形状。本发明的反射杯结构简单、紧凑，LED出光均匀性好。

Description

用于LED灯具的反射杯

技术领域

本发明属于光学技术与照明技术领域，具体涉及一种用于LED灯具的反射杯。

背景技术

人造光源作为人类历史上最伟大的发明之一，它的出现对人类文明演化产生了深远的影响，其自身也随着科技的发展不断进步。LED作为一种新兴的人造光源，由于其体积小、能耗低、单色性好等优点，已经展现出了极为广阔的应用前景。但是，目前的LED尚存在许多不足：单个LED的总光能量较低，且大部分LED产品都具有大发散角(180°)的朗伯分布发光曲线，因此并不适用于单独用于照明系统。在大多数应用场合，人们需要附加的光学器件与LED配合，实现在特定距离照明区域内的均匀照明。科研工作者在过去的时间里已经为我们提供了若干种解决方案：例如使用复眼透镜和方棒系统均匀光线的方法。这些基于传统成像光学原理的方法虽然解决了在特定照明区域内实现均匀照明的问题，但是由于它们本身性质的限制，存在一个特定的收集角度，因此并不能实现对于LED发出光能的完全利用。同时，各种解决方案都需要大量的光学元件相互配合形成一套光学系统才能实现其功能，因此相对比较复杂，对于小型化系统来说，并不适用，而在微型化日益成为一种趋势的今天，传统均匀照明系统的局限性也日渐明显。也有人基于非成像光学原理设计器件进行均匀光线，如改进的CPC系统均匀光线的方法，虽然其充分考虑了均匀性和光能利用率，但是仍然没有能够摆脱传统CPC系统体积过大特别是光轴方向长度过长的缺陷；最近又出现基于自由曲面透镜的LED灯具，实现对于特定区域的均匀照明，但是透镜的利用率低，而且基于折射的器件会出现色散现象，照明面上的光色不均匀，有蓝光，黄光出现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供用于LED灯具的反射杯，使特定照明区域获得均匀照明，以替代原有的基于透镜的LED均匀照明系统，使整个照明系统更加简单、结构更加紧凑。本发明通过如下技术方案实现：

本发明的用于LED灯具的反射杯涉及两部分能量分配，一部分为直接从灯具出射能量，另一部分为被反射杯反射出灯具的能量。

用于LED灯具的反射杯，包括反射面和环形底面，LED放置于环形底面的中央，LED芯片与底面在一个平面上，LED的一部分光能直接从反射杯的开口出射到目标平面上，反射杯的反射面反射其余的光能到目标平面，两部分光的能量叠加后使目标平面照明均匀，反射杯的反射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定反射杯的反射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定：

所述反射杯为中心轴对称形状，以过该反射杯中心轴的截面为基准面，建立坐标系，其中，中心轴为Z轴，原点在中心轴上，过原点且与中心轴垂直的方向为X轴，光源放置在原点，近似看作点光源。通过将所述自由曲面在XZ平面上所对应的曲线绕Z轴旋转一周即得到自由曲面的形状。目标平面为垂直于Z轴的平面。

所述曲线通过如下步骤确定：

光源采用朗伯型LED即光强分布为I＝I₀*cosθ，其中θ为LED出射光线与中心轴的夹角。其光通量为φlm。

(1)由能量守恒求出最大照射半径：

LED的中心光线直接出射，这部分能量在目标平面上的照度为E₀＝I₀/h²，这就是前面所述的初始照明面上最大的照度值，以E₀为均匀照明面的平均照度值，则能量所能分配的面积即为最大照射面积S_max，S_max＝φ/E₀，最大照射半径R＝S_max/2π。h为目标平面距离光源的高度。

具体照面面积由目标平面所需要的光照度值决定，但是最大为S_max。

(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与被反射部分的光线与Z轴角夹角θ的关系。

目标平面上点与Z轴距离为r，直接出射能量部分θ范围为0～θ_T，根据上步计算，如果要使照明面照度均匀，则θ_T最大为π/4。

能量对应关系：反射的能量部分，θ＝π/2的光线反射到r＝0处，θ＝θ_T的光线反射到R处。即光强越大的部分光线反射到越靠近照明面的边缘的位置。

设最大的直射部分边界角度为θ_T，建立反射部分光线对应的θ角与r的关系：

$\∫E_0\·2\mathrm{\πrdr}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_r}{\∫}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}+\underset{\mathrm{\θ}}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}$

式子中θ_r为r处所对应的直接出射的光线与Z轴的夹角。

积分得：E₀r²＝I₀sin²θ_r+I₀(1-sin²θ)

设夹角为θ的光线与反射面的交点的坐标为(x，z)，则tanθ_r＝r/h，tanθ＝x/z。求出上等式中sin²θ_r＝r²/(r²+h²)，sin²θ＝x²/(x²+z²)。带入上等式，可得到以r²为未知数的一元二次方程，求解此方程得r＝f(x，z)，f(x，z)为以x，z为变量的函数。

(3)由反射定律公式求出所述曲线上点的坐标的关系，得到一个微分方程通过求解微分方程，得到曲线上点的坐标。

所述反射定律公式为： ${[2-2(\stackrel{\→}{\mathrm{out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{in}})]}^{1/2}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{out}}-\stackrel{\→}{\mathrm{in}},$ 为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量；设入射光线与反射杯的交点为O点，坐标为(x，z)，反射光线与目标平面的交点为P点，坐标为(r，h)，则可以得到：

$\stackrel{\→}{\mathrm{out}}=(r-x,h-z)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{in}}=(x,z)$

$\stackrel{\→}{N}=(-\mathrm{dz},\mathrm{dx})$

把上三个向量带入反射定律公式，得dz/dx＝(D-B)/(A-C)

其中 $A=\frac{h-z}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(1+z)}^2}}$

$B=\frac{r-x}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(h-z)}^2}}$

$C=\frac{z}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$D=\frac{x}{\sqrt{x^2+z^2}}$

把r＝f(x，z)代入A，B，C，D中，则dz/dx＝(D-B)/(A-C)即化为只有变量x，z的微分方程。

(4)解步骤(3)所得的微分方程，得到所述曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合得到所述曲线，然后将所述曲线绕Z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。

上述的方案中，步骤(4)中通过求解微分方程得到曲线上点的坐标包括如下步骤：

(1)给出初始条件。

设初始点坐标为：(X₀，0)和步长H。初始点的坐标与反射杯的尺寸相联系，所以初始点的设置需要根据要做的反射杯的尺寸来确定。

(2)利用Ronge-Kutta(龙格-库塔)法计算微分方程。

迭代求解微分方程，得到自由曲线一系列的点的坐标值，(X₀，Z₀)，(X₁，Z₁)，(X₂，Z₂)，......(X_m，Z_m)。其中，Z₀＝0，X_m＝m·H。m的取值越大，得到所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。

上述的用于LED灯具的反射杯中，照明面积的大小由目标平面上的光照度值决定，最大照明面积为S_max。

上述的用于LED灯具的反射杯中，步骤(3)得到的微分方程是dz/dx＝(D-B)/(A-C)

其中 $A=\frac{h-z}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(1+z)}^2}}$

$B=\frac{r-x}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(h-z)}^2}}$

$C=\frac{z}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$D=\frac{x}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$r=\sqrt{I_0\frac{z^2}{x^2+z^2}+\sqrt{{\left(I_0\frac{z^2}{x^2+z^2}\right)}^2-4E_0(-I_0{h}^2\frac{z^2}{x^2+z^2})}/2E_0}.$

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：本发明提供一种LED灯具所用反射杯，其结构简单实用，符合小型化的要求；通过反射杯的反射面的自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域成为圆形均匀照明面，从而使LED光学系统能符合LED照明的光分布与照度要求；采用所述反射杯后，合理控制光线分布使光斑呈圆形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性良好，没有不良眩光，光线柔和，光效给人感觉舒适，可以广泛用于室内家居，办公场所照明，或者是背光源，投影仪等照明领域。

附图说明

图1本发明实施方式中求解反射杯自由曲面的坐标系原理图。

图2为实施方式中反射杯正视图。

图3为图2所示反射杯立体图。

图4为图2所示反射杯俯视图。

图5为实施方式中照射目标平面的照度分布图。

图6为实施方式中目标平面上圆形光照区直径方向上的照度值分布图。

图7为实施方式中目标平面的光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细描述。

用于LED灯具的反射杯，包括反射面201和环形底面203，LED202放置于底面的中央，LED的一部分光直接从反射杯的开口射出，该部分光到达目标平面上形成初始的照明面，反射杯的反射面反射其余的光到该初始的照明面上，使该两部分光的能量叠加后形成均匀照明面，反射杯的反射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定。

本实施方式中，所述曲线通过如下步骤确定：

光源采用朗伯型LED即光强分布为I＝I₀*cosθ，其中θ为LED出射光线与中心轴的夹角。其光通量为φlm。以一款CREE集成封装光源为例，φ为1374.4lm，中心光强I₀为437.5cd。

(1)由能量守恒求出最大照射半径：

LED的中心光线直接出射，如图1这部分能量在目标平面103上的照度为E₀＝I₀/h²，设h＝2.5米，则E₀为70lx，这就是前面所述的初始照明面上最大的照度值，以E₀为均匀照明面的平均照度值，则能量所能分配的面积即为最大照射面积S_max，S_max＝φ/E₀＝19.6343m²，最大照射半径 $R=\sqrt{S_{\max }/\mathrm{\π}}=2.5m.$

具体照面面积由目标平面所需要的光照度值决定，但是最大为S_max。

(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与被反射部分的光线与Z轴角夹角θ的关系。

目标平面上点与Z轴距离为r，直接出射能量部分θ范围为0～θ_T，根据上步计算，如果要使照明面照度均匀，则θ_T最大为π/4。

能量对应关系：反射的能量部分，θ＝π/2的光线反射到r＝0处， $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 的光线反射到R处，R＝2.5m。即光强越大的部分光线反射到越靠近照明面的边缘的位置。

设最大的直射部分边界角度为 ${\mathrm{\θ}}_T=\frac{\mathrm{\π}}{4},$ 建立反射部分光线对应的θ角与r的关系：

$\∫E_0\·2\mathrm{\πrdr}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_r}{\∫}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}+\underset{\mathrm{\θ}}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}$

式子中θ_r为r处所对应的直接出射的光线与Z轴的夹角。

积分得：E₀r²＝I₀sin²θ_r+I₀(1-sin²θ)

带入数据得到：70×r²＝437.5×sin²θ_r+437.5×(1-sin²θ)。

设夹角为θ的光线与反射面的交点的坐标为(x，z)，则tanθ_r＝r/h，tanθ＝x/z。求出上等式中sin²θ_r＝r²/(r²+h²)，sin²θ＝x²/(x²+z²)。带入上等式，可得到以r²为未知数的一元二次方程，求解此方程得r＝f(x，z)，f(x，z)为以x，z为变量的函数。按以上步骤带入数据可得：

$r=\sqrt{(437.5\×\frac{z^2}{x^2+z^2}+\sqrt{{(-437.5\×\frac{z^2}{x^2+z^2})}^2-280\×(-2734.4\×\frac{z^2}{x^2+z^2})}/140}$

(3)由反射定律公式求出所述曲线上点的坐标的关系，得到一个微分方程通过求解微分方程，得到曲线上点的坐标。

所述反射定律公式为： ${[2-2(\stackrel{\→}{\mathrm{out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{in}})]}^{1/2}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{out}}-\stackrel{\→}{\mathrm{in}},$ 为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，为单位法向量；设入射光线与反射杯的交点为O点，坐标为(x，z)，反射光线与目标平面的交点为P点，坐标为(r，h)，则可以得到：

$\stackrel{\→}{\mathrm{out}}=(r-x,h-z)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{in}}=(x,z)$

$\stackrel{\→}{N}=(-\mathrm{dz},\mathrm{dx})$

把上三个向量带入反射定律公式，得dz/dx＝(D-B)/(A-C)

其中 $A=\frac{h-z}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(1+z)}^2}}$

$B=\frac{r-x}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(h-z)}^2}}$

$C=\frac{z}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$D=\frac{x}{\sqrt{x^2+z^2}}$

其中h＝2.5m。

把r＝f(x，z)代入A，B，C，D中，则dz/dx＝(D-B)/(A-C)即化为只有变量x，z的微分方程。

(4)解步骤(3)所得的微分方程，得到所述曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合得到所述曲线，然后将所述曲线绕Z轴旋转一周可得到最终的自由曲面。

步骤(4)中通过求解微分方程得到曲线上点的坐标包括如下步骤：

(1)给出初始条件。

设初始点坐标为：(X₀，0)和步长H。

(2)利用Ronge-Kutta法计算微分方程。

迭代求解微分方程，得到自由曲线一系列的点的坐标值，(X₀，Z₀)，(X₁，Z₁)，(X₂，Z₂)，......(X_m，Z_m)。其中，Z₀＝0，X_m＝X₀+m·H，

例如：给出初始点为：(-0.1，0)，步长为-0.0001，利用Ronge-Kutta法解微分方程，借助计算机迭代计算可以得到自由曲线一系列的点的坐标值，将坐标值都放大1000倍，即得到以毫米为单位的一系列坐标，便于(-100，0)，(-100.1，0.106321541986214)，(-100.2，0.214806108251709)，......(-134.2，132.068732126705)。

(3)把通过步骤(2)计算出来的离散点坐标导入三维制图软件，先选定旋转轴，然后把曲线绕轴旋转一周，即得所需要的自由曲面201。H的取值越小，得到所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。

如图2，为通过上述方案得到的反射杯，所述反射杯底面加LED光源的正视图，图3为立体图，图4为俯视图，反射杯包括反射面201和底面203，LED光源202放置与底面203的中央。

通过反射杯的内表面自由曲面来约束LED的出光方向，使其照明区域称为一圆形均匀照明面，从而使LED灯具能符合室内照明的光分布与照度要求。

图5-7为LED按照如上所述的方式放置了反射杯后的光照效果图，图5目标平面上的光分布为圆形斑，图6中的曲线为在目标平面上的光照度分布图，可以看出曲线上端比较平坦，代表均匀性比较好。图7为圆形斑直径上的光强的曲线图。所以可以看出，通过采用上述技术方案后，而能合理控制光线分布使光斑呈圆形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性好。

Claims (5)

1、用于LED灯具的反射杯，包括反射面和环形底面，LED放置于环形底面的中央，LED芯片与底面在一个平面上，LED的一部分光能直接从反射杯的开口出射到目标平面上，反射杯的反射面反射其余的光能到目标平面，两部分光的能量叠加后使目标平面照明均匀，其特征在于反射杯的反射面为自由曲面，该自由曲面的形状由如下方法确定：

所述反射杯为中心轴对称形状，以过该反射杯中心轴的截面为基准面，建立坐标系，中心轴为Z轴，原点在中心轴上，LED光源放置在原点，过原点且与中心轴垂直的方向为X轴，通过将所述自由曲面在XZ平面上所对应的曲线绕Z轴旋转一周即得到自由曲面的形状，目标平面为垂直于Z轴的平面，

所述曲线通过如下步骤确定：

(1)由能量守恒求出最大照射半径：

LED光源采用朗伯型LED，其光强分布为I＝I₀*cosθ，其中θ为LED出射光线与中心轴的夹角，其光通量为φ；LED的中心光线直接出射，这部分能量在目标平面上的照度为E₀＝I₀/h²，该照度为所述的初始照明面上最大的照度值，以E₀为均匀照明面的平均照度值，则LED的总光通量所能分配的面积即为最大照射面积S_max，S_max＝φ/E₀，最大照射半径R＝S_max/2π，h为目标平面距离光源的高度；

(2)通过能量对应关系求出目标平面上的点与被反射部分的光线与Z轴夹角θ的关系：

目标平面上的点与Z轴距离为r，从反射杯直接出射的光线与Z轴的夹角范围为0～θ_T，根据步骤(1)计算，如果要使照明面照度均匀，则θ_T最大为π/4；

能量对应关系：θ＝π/2的入射光线反射到r＝0处，θ＝θ_T的入射光线反射到R处，即光强越大的部分光线反射到越靠近目标平面的边缘的位置；

设最大的直射部分边界角度为θ_T，建立反射部分光线对应的θ角与r的关系：

$\∫E_0\·2\mathrm{\πrdr}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_r}{\∫}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ}+\underset{\mathrm{\θ}}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}I\·2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θd\θ},$ 式子中θ_r为r处所对应的直接出射的光线与Z轴的夹角；

积分得：E₀r²＝I₀sin²θ_r+I₀(1-sin²θ)，

设夹角为θ的光线与反射面的交点的坐标为(x，z)，则tanθ_r＝r/h，tanθ＝x/z，求出上述等式中sin²θ_r＝r²/(r²+h²)，sin²θ＝x²/(x²+z²)；代入上等式，得到以r²为未知数的一元二次方程，求解此方程得r＝f(x，z)，f(x，z)为以x，z为变量的函数；

(3)由反射定律公式求出所述曲线上点的坐标的关系，得到一个微分方程通过求解微分方程，得到曲线上该点的坐标；

所述反射定律公式为： ${[2-2(\stackrel{\→}{\mathrm{out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{in}})]}^{1/2}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{out}}-\stackrel{\→}{\mathrm{in}},$

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量；设入射光线与反射杯的交点为O点，坐标为(x，z)，反射光线与目标平面的交点为P点，坐标为(r，h)，则可以得到：

$\stackrel{\→}{\mathrm{out}}=(r-x,h-z)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{in}}=(x,z)$

$\stackrel{\→}{N}=(-\mathrm{dz},\mathrm{dx}),$

把上三个向量带入反射定律公式，得dz/dx＝(D-B)/(A-C)，

其中 $A=\frac{h-z}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(1+z)}^2}}$

$B=\frac{r-x}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(h-z)}^2}}$

$C=\frac{z}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$D=\frac{x}{\sqrt{x^2+z^2}},$

把r＝f(x，z)代入A，B，C，D中，则得到只有变量x，z的微分方程；

(4)解步骤(3)所得的微分方程，得到所述曲线上离散的点坐标，通过计算机拟合得到所述曲线，然后将所述曲线绕Z轴旋转一周可得到所述的自由曲面的形状。

2、根据权利要求1所述的用于LED灯具的反射杯，其特征在于步骤(4)中通过求解微分方程得到曲线上离散的点的坐标包括如下步骤：

(1)给出初始条件，

设初始点坐标为：(X₀，0)和步长H；初始点的坐标与反射杯的尺寸相联系，所以初始点的设置需要根据要做的反射杯的尺寸来确定；

(2)利用Ronge-Kutta法计算微分方程；

迭代求解微分方程，得到自由曲线一系列的点的坐标值，(X₀，Z₀)，(X₁，Z₁)，(X₂，Z₂)，......(X_m，Z_m)，其中，Z₀＝0，X_m＝m·H，m的取值越大，步骤(4)得到所述曲线上的离散点越多，由这些离散点坐标通过计算机拟合能得到更精确的所述曲线。

3、根据权利要求1所述的用于LED灯具的反射杯，其特征在于照明面积的大小由目标平面上的光照度值决定，最大照明面积为S_max。

4、根据权利要求1所述的用于LED灯具的反射杯，其特征在于步骤(3)得到的微分方程是dz/dx＝(D-B)/(A-C)

其中 $A=\frac{h-z}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(1+z)}^2}}$

$B=\frac{r-x}{\sqrt{{(r-x)}^2+{(h-z)}^2}}$

$C=\frac{z}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$D=\frac{x}{\sqrt{x^2+z^2}}$

$r=\sqrt{I_0\frac{z^2}{x^2+z^2}+\sqrt{{\left(I_0\frac{z^2}{x^2+z^2}\right)}^2-4E_0(-I_0{h}^2\frac{z^2}{x^2+z^2})}/2E_0}.$

5、根据权利要求1～4任一项所述的用于LED灯具的反射杯，其特征在于所述朗伯型LED的光强分布为I＝I₀*cosθ，I₀的取值为437.5cd，φ为1374.4lm，目标平面距离光源的高度h为2.5m。

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