CN101556026B - Led路灯的反射杯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了LED路灯的反射杯，包括底面和反射面，底面的中央放置有LED，LED直接从反射杯开口出射的那部分光照射到目标面上形成初始的矩形照明区域，反射面用于反射其余的光到该初始的矩形照明区域，使该两部分光的能量叠加后形成均匀的矩形照明区域，反射面为自由曲面，该自由曲面的形状通过如下方法确定：所述反射杯的自由曲面的形状关于XOZ平面和YOZ平面对称，先确定XOY第一象限所对应的部分自由曲面形状，然后通过将该部分自由曲面相对于XOZ平面和YOZ平面进行两次对称即得到所述反射面的形状。本发明所提供的反射杯可以实现LED路灯照射出均匀矩形光斑的效果。

Description

LED路灯的反射杯

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，具体涉及一种LED路灯的反射杯。

背景技术

现有的路灯光源大多采用高压钠灯、高压汞灯，消耗功率较大，工作电压高，启动时间较慢，灯泡使用寿命短，使得灯管更换率过高，维护成本大幅上升。

LED作为一种新型的固体光源，同传统光源相比具有很多优势，如节能，环保，易于调节，寿命长等优点，因此非常适合作为各种照明领域的光源，比如道路照明光源。

道路照明系统不同于一般的照明灯具，其照明的场最好为矩形区域，以提高光的利用率。根据国家公路照明标准，要满足在一矩形的被照平面上(一般是10米×35米)的平均照度以及照度均匀度。

由于LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，直接用于照明，会在路面上形成一个不均匀的圆斑，中心处很亮，而在径向衰减很快。这就需要设计相应的光学系统来重新配光。目前出现的LED路灯，往往都是采用LED光源加透镜的方式来达到路面上产生均匀矩形斑的效果，但是这种方案会由于光的折射而损失较大的光能，不利于光能利用。

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LED路灯的反射杯，能使LED路灯在路面形成均匀矩形照明区域。本发明采用如下技术方案：

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

本发明的LED路灯的反射杯，包括底面和反射面，反射面为自由曲面，底面为中间有圆形缺口的平面区域，LED放在缺口处，LED直接从反射杯开口出射的那部分光照射到目标面上形成初始的矩形照明区域，反射面用于反射其余的光到该初始的矩形照明区域，使该两部分光的能量叠加后形成均匀的矩形照明区域，反射面为自由曲面，该自由曲面的形状通过如下方法确定：

首先以LED底面的圆心为原点建立坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，所述反射杯的形状关于XOZ平面和YOZ平面对称，所以先计算第一象限的部分，然后通过将自由曲面在第一象限的部分相对于XOZ平面和YOZ平面进行两次对称即得到最后的反射杯。

在计算第一象限的自由曲面时，将其分为两部分计算，分别为侧面部分(沿X轴方向)和端面部分(沿Y轴方向)。由于总能量是守恒的，可以在计算完侧面部分后，将剩余的能量与端面对应。在计算反射杯自由曲面和划分目标照明区域的时候使用直角坐标系表示，而在分配光源的能量时采用球坐标表示。

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格。

首先目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a，宽为b的矩形区域，取其第一象限为研究对象，则长边为a/2，侧边为b/2，LED光源的总光通量为φ，目标区域的平均照度为Ev(Ev为总光通量除以目标区域面积)，中心光强为I₀＝φ/π。将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成m份，沿Y轴方向以步长k等分成n份，得到x(m)和y(n)的数组。这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格。对应的，通过计算每一份网格的能量，将光源出射光线离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在θ角上分成m份，在角上分成n份。

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线在XOY平面上的投影与Y轴的夹角)

第一步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的最后能量：

$\mathrm{Energy}=k\·\frac{b}{2}\·\mathrm{Ev}$

第二步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的直射能量：

因为使用的LED光源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，利用照度光强与距离的平方反比关系，可以得到目标区域的照度分布为：

$f(x,y)=\frac{I_0\·h^2}{{(x^2+y^2+h^2)}^2}$

直射能量为照度分布对于目标区域的二重积分：

$\mathrm{DirectEn}={\∫}_{x\left(m\right)}^{x(m+1)}{\∫}_0^{\frac{b}{2}}f(x,y)\mathrm{dxdy}$

第三步，确定反射杯口的边界

角值(

角为出射光线与Z轴正向的夹角)：

由于本方法中直接出射的那部分光在目标照明面上是直接形成一个矩形光斑的，所以反射杯口的形状虽然不一定是一个矩形，但是杯口边界线上所有点的

角是一定的。在确定了初始条件以后，可直接以目标照明区域的边界坐标值求解反射杯口的边界

角值：

只要将m，n的取值遍历边界上所有的点，即可求出反射杯口边界上所对应的所有

角的值。

第四步，由能量守恒求出θ角：

反射能量为：

其中

为上面第三步所计算的边界

又反射能量等于总能量减去直射能量，从而得到能量守恒等式。通过计算机迭代计算可以求出一系列θ值。由目标区域的长宽比为a/b，对应的反射杯口也设为相同比例，所以当arctan(θ)大于a/b时截止，记录下此时所对应的目标区域的长度，即x坐标。

(3)由能量守恒计算角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为k²。

第一步，计算每一小格的总能量：

energy＝Ev·k²

第二步，计算每一小格的直射能量为：

$\mathrm{DirectEn}={\∫}_{x\left(m\right)}^{x(m+1)}{\∫}_{y\left(n\right)}^{y(n+1)}f(x,y)\mathrm{dxdy}$

其中f(x，y)为目标区域照度分布。

第三步，通过能量守恒求角，反射能量为：

等于总能量减去直射能量。通过计算机迭代计算出

角数组。

(4)由反射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为：

$\sqrt{2-2\·(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}})}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}}$

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量；

在计算中，首先确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个反射杯的大小，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面。计算方法：由(3)中所确定的θ和

可以求出入射光线的单位向量，通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标。由此确定了长边曲面的坐标。

(5)计算反射杯端面的曲面坐标

首先确定初始直线为经过长边边界的终点，垂直于X轴的直线。由于在(2)的结尾已经记录了侧面对应的目标区域的长度，可以得到所剩下的区域的位置和大小。为了更好的配合端面的整体曲率，将θ的变化对应于目标区域Y值的变化，

的变化对应于X轴的变化。算法与求侧面相同，不再重述。

(6)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

得到的曲面为对应于XOZ平面和YOZ平面镜像，可以得到最终的反射杯曲面。

上述的LED路灯的反射杯中，m，n的取值越大，步骤(4)得到所述曲面上的离散点越多，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面。

上述的LED路灯的反射杯中，(4)中所述初始点坐标决定了整个反射杯的大小，因为反射杯上其他点的坐标都直接或间接由这点坐标求出。初始点坐标需要通过具体路灯灯具和LED光源尺寸确定反射杯大小，从而决定初始点坐标。

上述的LED路灯的反射杯中，(4)中所述的由(3)中所确定的θ和求出每一条入射光线的单位向量

其具体表达式为：

本发明具有如下有益效果：本发明提供一种LED路灯灯具所用反射杯，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矩形均匀照明面，符合国家道路照明的光分布与照度要求。由于LED光源直接出射所照出区域为圆形区域，所以必须对其进行相应的光学设计来重新分配能量，来达到照射出矩形光斑的效果。传统的路灯在路面的照射光斑为圆形，大量的光能照射到路面以外的区域，导致了光能的浪费。考虑到路面的形状，本发明设计光源照射区域的形状为矩形，则可大幅提高光能的利用率。

附图说明

图1为实施方式中求解反射杯自由曲面中LED光源及其球坐标图。

图2为实施方式中目标区域和第一象限划分网格图。

图3为实施方式中反射杯的俯视图。

图4为实施方式中反射杯的三维立体图。

图5为实施方式中反射杯加上光路分析的俯视图。

图6为实施方式中反射杯的侧视图。

图7为实施方式中目标照明区域上的照度分布图。

图8为实施方式中目标照明区域上的光强分布图。

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。

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格，如图1、图2所示。

首先目标照明面与LED的距离为10米，那么由能量守恒可得到目标照明区域是长为31.4米，宽为10米的矩形区域，取其第一象限为研究对象，则长边为15.7米，侧边为5米，以CREE公司某款LED光源101为例，其总的光通量为φ＝2100流明，则目标区域的平均照度为Ev＝2100/314lx(Ev为总光通量除以目标区域面积)，中心光强为I₀＝φ/π＝2100/3.14cd。将目标照明矩形区域102沿X轴方向以步长0.1米等分成157份，沿Y轴方向以步长0.1等分成50份，得到x(157)和y(50)的数组。这样在目标平面就形成了157×50个等面积的正方形网格。对应的，通过计算每一份网格的能量，将光源出射光线在θ角上分成157份，在

角上分成50份。

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角(θ角为光线107在XOY平面上的投影与Y轴的夹角)

第一步，将上述初始条件带入下式，计算出目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的最后能量：

$\mathrm{Energy}=k\·\frac{b}{2}\·\mathrm{Ev}$

带入数据的 $\mathrm{Energy}=0.1\×5\×\frac{2100}{3140}=0.3344.$

第二步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的直射能量：

因为使用的LED光源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，利用照度光强与距离的平方反比关系，可以得到目标区域的照度分布为：

$f(x,y)=\frac{I_0\·h^2}{{(x^2+y^2+h^2)}^2}$

带入数据 $f(x,y)=\frac{66879}{{(x^2+y^2+100)}^2}$

直射能量为照度分布对于目标区域的二重积分：

$\mathrm{DirectEn}={\∫}_{x\left(m\right)}^{x(m+1)}{\∫}_0^{\frac{b}{2}}f(x,y)\mathrm{dxdy}$

带入数据可得： $\mathrm{DirectEn}={\∫}_{x\left(m\right)}^{x(m+1)}{\∫}_0^{5}f(x,y)\mathrm{dxdy}$

第三步，确定反射杯口的边界

角值(

角为出射光线与Z轴正向的夹角)：

由于本方法中直接出射的那部分光在目标照明面上是直接形成一个矩形光斑的，所以反射杯口的形状虽然不一定是一个矩形，但是杯口边界线上所有点的

角是一定的。在确定了初始条件以后，可直接以目标照明区域的边界坐标值求解反射杯口的边界

角值：

只要将m，n的取值遍历边界上所有的点，即可求出反射杯口边界上所对应的所有

角的值。

第四步，由能量守恒求出θ角：

反射能量为：

其中为上面第三步所计算的边界

又反射能量等于总能量减去直射能量，从而得到能量守恒等式。通过计算机迭代计算可以求出一系列θ值。由目标区域的长宽比为a/b，对应的反射杯口也设为相同比例，所以当arctan(θ)大于a/b时截止，记录下此时所对应的目标区域的长度，即x坐标。

(3)由能量守恒计算

角

以目标区域的每一小方格作为研究对象，面积为0.01平方米。

第一步，计算每一小格的总能量：energy＝Ev·k²＝(2100/314)*0.01

第二步，计算每一小格的直射能量为：

$\mathrm{DirectEn}={\∫}_{x\left(m\right)}^{x(m+1)}{\∫}_{y\left(n\right)}^{y(n+1)}f(x,y)\mathrm{dxdy},$ 其中f(x，y)为目标区域照度分布。

第三步，通过能量守恒求

角，反射能量为：

等于总能量减去直射能量。通过计算机迭代计算出

角数组。

(4)参照图5，由反射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。所述的反射定律公式为：

$\sqrt{2-2\·(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}})}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}}$

其中n为折射率，

303为入射光线单位向量，

304为出射光线单位向量，

为单位法向量；

在计算中，由(3)中所确定的θ和

可以求出离散后每一条入射光线的单位向量，通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标。由此确定了长边曲面的坐标。

如首先确定一个计算的初始点(0，0.02，0.04)，该初始点坐标决定了整个反射杯的大小，由这个初始点对应于目标照射区域上的(0，5，8)点，可求出该初始点的入射光线的向量(0，0.02，0.04)以及出射光线的向量(0，4.98，7.96)，分别归一化后可以得到初始点入射光线和出射光线的单位向量

和

由反射公式求出反射杯在该初始点单位法向量由此法向量和初始点可确定一个切平面，该切平面与第二条入射光线相交，确定边界的第二点，由以上方法迭代求出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面。

(5)计算反射杯端面的曲面坐标

首先确定初始直线为经过长边边界的终点，垂直于X轴的直线。由于在(2)的结尾已经记录了侧面对应的目标区域的长度，可以得到所剩下的区域的位置和大小。为了更好的配合端面的整体曲率，将θ的变化对应于目标区域Y值的变化，

的变化对应于X轴的变化。算法与求侧面相同，不再重述。

(6)利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

得到的曲面为对应于XOZ平面和YOZ平面镜像，可以得到最终的反射杯曲面。

如图3，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4为立体图，图6为侧视图，反射杯包括侧面201，端面202和底面203。LED光源101放置于底面203的中央。

图7、图8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7为目标平面上的光分布为矩形斑，均匀度较好。图8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矩形，并且在照射区域内总透光率高，出光均匀性好。

Claims (4)

1.LED路灯的反射杯，包括底面和反射面，反射面为自由曲面，底面为中间有圆形缺口的平面区域，LED位于缺口处，LED直接从反射杯开口出射的那部分光照射到目标面上形成初始的矩形照明区域，反射面用于反射其余的光到该初始的矩形照明区域，使该两部分光的能量叠加后形成均匀的矩形照明区域，其特征在于反射面为自由曲面，该自由曲面的形状通过如下方法确定：

以LED底面的圆心为原点建立坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，Z轴的正方向朝向反射杯的开口，所述反射杯的自由曲面的形状关于XOZ平面和YOZ平面对称，先确定XOY第一象限所对应的部分自由曲面形状，然后通过将该部分自由曲面相对于XOZ平面和YOZ平面进行两次对称即得到所述反射面的形状，

第一象限所对应的部分自由曲面按照沿X轴和Y轴方向分为两部分：沿X轴方向为侧面部分和沿Y轴方向为端面部分；由于总能量是守恒的，确定侧面部分后，将剩余的能量与端面对应，再确定端面部分，

求解侧面部分上点的坐标由如下步骤确定：

(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格，

LED光源为朗伯源，首先目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a，宽为b的矩形区域，该区域在上述XOY坐标系的第一象限部分的长边为a/2，短边为b/2，LED光源的总光通量为φ，目标照明区域的平均照度为Ev，Ev等于所述总光通量除以目标照明区域面积，LED中心光强为I₀＝φ/π；将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成m份，沿Y轴方向以步长k等分成n份，得到x(m)和y(n)的数组；这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格，对应的，通过计算每一个网格的能量，将LED光源出射光线在θ角上分成m份，在

角上分成n份，θ角为光线在XOY平面上的投影与Y轴的夹角，

角为出射光线与Z轴正向的夹角；

(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角，

将目标照明区域第一象限沿着X轴方向划分等步长n份，这样在目标照明区域第一象限就会出现n个矩形区域：

第一步，计算最终目标照明区域X轴方向每条矩形区域所对应的能量：

$\mathrm{Energy}=k\·\frac{b}{2}\·\mathrm{Ev};$

第二步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的直射光能量：

LED光源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，利用照度光强与距离的平方反比关系，得到目标区域的照度分布为：

$f(x,y)=\frac{I_0\·h^2}{{(x^2+y^2+h^2)}^2},$

直射能量为照度分布对于目标区域的二重积分：

第三步，确定反射杯口的边界

角值：

直接出射的那部分光在目标照明面上是直接形成一个矩形光斑的，反射杯出口边界线上所有点的

角是一定的，在确定了步骤(1)中的初始条件后，直接以目标照明区域的边界坐标值求解反射杯口的边界角值：

将m，n的取值遍历边界上所有的点，即求出反射杯口边界上所对应的所有

角的值；

第四步，由能量守恒求出θ角：

每条矩形区域中，通过反射到达的能量为：

其中

为上面第三步所计算的边界角值；反射能量等于总能量减去直射能量，从而得到能量守恒等式；通过计算机迭代计算求出一系列离散θ值；由目标区域的长宽比为a/b，对应的反射杯口也设为相同比例，当arctan(θ)大于a/b时截止，记录下此时所对应的目标区域的长度，即x坐标；

(3)由能量守恒计算

角，目标区域的每一小方格的面积为k²：

计算每一小格的总能量：energy＝Ev·k²；再计算每一小格的直射能量为：

其中f(x，y)为目标区域照度分布；通过能量守恒求

角，反射能量为：

等于总能量减去直射能量，通过计算机迭代计算出角数组；

(4)由反射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，所述的反射定律公式为：

$\sqrt{2-2\·(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}})}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}},$

其中n为折射率，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量；在计算中，首先确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个反射杯的大小，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面，计算方法：由(3)中所确定的θ和

求出入射光线的单位向量

其具体表达式为：

通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点；由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标，由此确定了长边曲面的坐标；

所述端面部分自由曲面上点的坐标由如下方法确定：

首先确定初始直线为经过长边边界的终点，垂直于X轴的直线；通过上述(2)的已得到的侧面对应的目标区域的长度，可以得到所剩下的区域的位置和大小；为了更好的配合端面的整体曲率，将θ的变化对应于目标区域Y值的变化，

的变化对应于X轴的变化；端面部分上点的算法与上述求侧面部分上点的坐标方法相同；

利用机械仿真软件将上述得到的侧面部分和端面部分上的点拟合为曲面，再将得到的曲面对应于XOZ平面和YOZ平面镜像，得到最终的反射杯曲面。

2.根据权利要求1所述的LED路灯的反射杯，其特征在于m，n的取值越大，步骤(4)得到所述曲面上的离散点越多，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面。

3.根据权利要求1所述的LED路灯的反射杯，其特征在于(4)中初始点坐标决定了整个反射杯的大小，初始点坐标需要通过具体路灯灯具和LED光源尺寸确定反射杯大小，从而决定初始点坐标。

4.根据权利要求1～3任一项所述的LED路灯的反射杯，其特征在于所述φ＝2100流明，目标照明面与LED的距离为10米，目标照明区域是长为31.4米，宽为10米的矩形区域，LED中心光强为I₀＝φ/π＝2100/3.14cd。

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