CN101915392B - 出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器 - Google Patents
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Abstract
出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器，属于照明用灯具的技术领域，其特征在于，该反射器呈倒置在平面上的一个碗的形状，由作为碗底的中心部分和作为碗侧面的侧边部分组成，该中心部分由一条曲线沿碗的中心轴旋转构成，所反射的光在目标平面上形成具有中心旋转对称的照度分布，该侧边部分由三维自由连续曲面构成，也可由三维自由带状曲面不连续地拼接而成，所述每个带状曲面均为独立、连续的，该侧边部分形成的光分布与中心部分形成的光分布、面光源发出的不经反射器而直接形成的光分布叠加补偿，以实现任意给定的光分布。本发明具有光效高、配光灵活而且无效光少的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种面光源的反射器结构，属于照明用灯具的技术领域。
背景技术
目前应用范围最广的光源一般为面光源，如高压钠灯、无极灯等。这些面光源一般具有较高的光效，一般在90-1401m/w，但因为是360度发光，直接使用这些光源光能的利用效率很低，只有大约30％，因此这些光源通常需要设计反射器才可以使大部分光照射到指定区域，以达到更高的光的利用。
除了光效，另外一个实用中的问题是配光问题。不同的照明环境，需要不同光分布的照明灯具。例如道路照明中，优良的灯具的光输出配光应为长方形光斑，从而满足路面照度和亮度均匀性要求，并使得绝大部分的光应用于路面，减少不必要的浪费。而传统的面光源的尺寸巨大，出光表面积一般大于10mm2，在设计光学系统时较难进行配光，并且因光源本身尺寸大和360发光，光源会阻碍灯具中光的出射，从而更加大了高效、灵活配光的光学系统的设计难度。因此传统的面光源反射器的配光一般只能形成简单的圆形或椭圆形光分布，多存在照度或亮度分布不够均匀、照射目标范围外大量无效光的问题，且由于设计不合理，多存在部分光线被反射到光源上从而被光源吸收、部分光线经过二次或多次反射才反射到目标平面上的现象，光利用率一般只有40-45％，从而灯具效率低，造成光能量的浪费、照明效果差，甚至眩光、光污染等严重问题。
本发明提出一种反射器的分块结构，采用非成像光学方法进行设计。反射器中心部分设计时避免光源吸收和反射器内部的多次反射，从而提高灯具效率，而反射器侧边部分的设计则将侧边部分反射形成的光分布与中心部分形成的光分布、光源发出的不经反射器直接形成的光分布叠加补偿从而实现任意给定的光分布，这样既能提高灯具效率，减少光能浪费，又能实现灵活的配光，减少无效光并改善照明效果。
发明内容
本发明提出了一种实现大尺寸面光源复杂配光的反射器的结构，在该种反射器结构的设计中，应用了非成像光学系统设计的方法，所设计的反射器还具有高效、紧凑的特点。
本发明的特征之一在于：
出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器，其特征在于，所述的反射器呈倒置在平面上的一个碗的形状，由作为碗底的中心部分和作为碗侧面的侧边部分组成，其中：
中心部分，有一个在所述碗底表面上向下凹陷的旋转中心，虚拟的通过所述旋转中心而垂直于用x-y坐标标志的地面的一根轴称为系统旋转中心轴z；所述中心部分由在y-z平面上通过所述旋转中心的一条曲线绕所述系统中心轴旋转构成，所述中心部分反射的光在目标平面上形成具有中心旋转对称的照度分布；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布直径为30m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在中心部分满足：z＝-0.0006y3-0.0066y2+0.3819y+20.0492，其中0≤y＜13.70cm；
侧边部分，由三维自由连续曲面构成；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布直径为30m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在侧边部分满足z＝-0.0050y3+0.2569y2-5.3788y+61.0387，其中13.70cm≤y≤30.37cm；
所述中心部分在避免光源吸收和所述反射器内部的多重反射的条件下把内置于所述呈倒置的碗内的面光源发出的背离地面上目标平面的光反射到所述目标平面上，所述侧边部分反射的光与所述中心部分反射的光、所述面光源发出的不经所述反射器而直接照射到所述目标平面上的光叠加形成符合预定要求的照度分布。
本发明的特征之二在于：
出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器，其特征在于，所述的反射器呈倒置在平面上的一个碗的形状，由作为碗底的中心部分和作为碗侧面的侧边部分组成，其中：
中心部分，有一个在所述碗底表面上向下凹陷的旋转中心，虚拟的通过所述旋转中心而垂直于x-y坐标标志的地面的一根轴称为系统旋转中心轴z；所述中心部分由在y-z平面上通过所述旋转中心的一条曲线绕所述系统中心轴旋转构成，所述中心部分反射的光在目标平面上形成具有中心旋转对称的照度分布；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布面积呈矩形，长为40m，宽为20m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在中心部分满足：z＝-0.0006y3-0.0066y2+0.3819y+20.0492，其中0≤y＜13.70cm；
侧边部分，由三维自由带状曲面不连续地拼接而成，每个所述带状曲面均是独立连续的曲面；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布面积呈矩形，长为40m，宽为20m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在侧边部分满足：z＝-0.0085y3+0.4579y2-9.1338y+84.0633，其中13.70cm≤y≤29.42cm；
所述中心部分在避免光源吸收和所述反射器内部的多重反射的条件下把内置于所述呈倒置的碗内的面光源发出的背离地面上目标平面的光反射到所述目标平面上，所述侧边部分反射的光与所述中心部分反射的光、所述面光源发出的不经所述反射器而直接照射到所述目标平面上的光叠加形成符合预定要求的照度分布。
本发明的其他特征包括：
出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器中的任何一种反射器，其特征在于：所述中心部分由铝材组成、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成：所述侧边部分由铝材、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成。
本发明有效地避免了光源吸收和反射器内多次反射的问题，从而在构成紧凑反射器时依然能取得较高效率，并且配光灵活，可以实现任意给定的光分布，而且具有无效光少的优点。
附图说明
图1为应用本发明反射器结构的一个照明系统剖视图。
图2为实现圆形均匀照度分布的反射器的一个实例。
图3为实现圆形均匀照度分布的反射器的y-z平面上截面的形状。
图4为实现矩形均匀照度分布的反射器的一个实例。
图5为实现矩形均匀照度分布的反射器的y-z平面上截面的形状。
具体实施方式
一种大尺寸面光源的反射器，由中心、侧边两部分构成：反射器中心部分在避免光源吸收和反射器内部的多重反射的条件下将面光源发出的背离目标平面的光反射到目标平面上；反射器侧边部分反射的光，与中心部分反射的光、光源发出的不经反射器直接照射到目标平面上的光叠加形成符合预定要求的照度分布。
所述的反射器中心部分由一条曲线绕系统中心轴旋转构成；所述曲线包括但不限于渐近线、宏椭圆线及它们的组合；所述的反射器中心部分反射的光在目标平面上形成具有中心旋转对称的照度分布。
所述的反射器，其特征在于：所述的反射器侧边部分由分离变量法设计的三维自由连续曲面，或由分离变量法设计的三维自由曲带状曲面不连续的拼接而成；所述的反射器侧边部分的每个带状曲面均是独立、连续的曲面。
所述的反射器在目标平面上形成的照度分布包括但不限于条形、圆形等。
反射器的两部分由相同材料或不同材料构成；反射器各部分由单层或多层材料构成。
本发明通过下述实施方案实现：
图1表示应用本发明反射器的一个照明系统：由中心部分1和侧边部分2和光源3构成。光源3可以是所示的球面光源或其他面光源。
中心部分1在避免光源吸收和反射器内部的多重反射的条件下将面光源发出的背离目标平面的光4反射到目标平面上，形成具有中心旋转对称的照度分布；侧边部分2反射的光5，与中心部分反射的光6、光源发出的不经反射器直接照射到目标平面上的光7叠加形成符合预定要求的照度分布。
反射器侧边部分2由分离变量法设计的三维自由连续曲面，或由分离变量法设计的三维自由曲带状曲面不连续的拼接而成；当侧边部分2由带状曲面不连续地拼接而成时，每个带状曲面均是独立、连续的曲面。通过调整中心部分和侧边部分的比例和曲面形状等的设计，可以实现各种灵活的照度分布，包括但不限于条形、圆形等。
中心部分1和侧边部分2可以由相同材料或不同材料构成；反射器各部分由单层或多层材料构成。即各个部分内部也可以具有相同或不同反射率或者散射性能。不同位置用不同材料构成的多层结构反射器，容易获得更加灵活的配光。
图2为所述的反射器实现为直径10cm的球面光源实现圆形均匀照度分布的一个实例。目标平面距光源10m，光分布直径为30m。其中，8为反射器中心部分，侧边部分9为分离变量法设计的三维自由连续曲面，反射器由一层材料铝、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成。图3为其y-z平面上截面的形状和尺寸，其中，x、y方向为沿目标平面的方向，z方向为垂直目标平面向上的方向。采用3次多项式对其进行拟合的结果为：中心部分：z＝-0.0006y3-0.0066y2+0.3819y+20.0492(0≤y＜13.70cm)，侧边部分：z＝-0.0050y3+02569y2-5.3788y+61.0387(13.70cm≤y≤30.37cm)。
图4为所述的反射器实现为直径10cm的球面光源实现矩形均匀照度分布的一个实例。目标平面距光源10m，照射目标区域为目标平面上长40m，宽20m的矩形。其中，10为反射器中心部分，侧边部分11为带状曲面12拼接而成，每个带状曲面12均是由分离变量法设计的独立、连续的三维自由曲面。反射器中心部分由铝Al、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成，外侧部分是由与中心部分不同的、由铝Al、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成。图5为其y-z平面上截面的形状和尺寸，其中，y方向为在目标平面上沿矩形长的方向，z方向为垂直目标平面向上的方向。采用3次多项式对其进行拟合的结果为：中心部分：z＝-0.0006y3-0.0066y2+0.3819y+20.0492(0≤y＜13.70cm)，侧边部分：z＝-0.0085y3+0.4579y2-9.1338y+84.0633(13.70cm≤y≤29.42cm)。
Claims (4)
1.出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器，其特征在于，所述的反射器呈倒置在平面上的一个碗的形状，由作为碗底的中心部分和作为碗侧面的侧边部分组成，其中：
中心部分，有一个在所述碗底表面上向下凹陷的旋转中心，虚拟的通过所述旋转中心而垂直于用x-y坐标标志的地面的一根轴称为系统旋转中心轴z；所述中心部分由在y-z平面上通过所述旋转中心的一条曲线绕所述系统中心轴旋转构成，所述中心部分反射的光在目标平面上形成具有中心旋转对称的照度分布；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布直径为30m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在中心部分满足：z＝-0.0006y3-0.0066y2+0.3819y+20.0492，其中0≤y＜13.70cm；
侧边部分，由三维自由连续曲面构成；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布直径为30m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在侧边部分满足z＝-0.0050y3+0.2569y2-5.3788y+61.0387，其中13.70cm≤y≤30.37cm；
所述中心部分在避免光源吸收和所述反射器内部的多重反射的条件下把内置于所述呈倒置的碗内的面光源发出的背离地面上目标平面的光反射到所述目标平面上，所述侧边部分反射的光与所述中心部分反射的光、所述面光源发出的不经所述反射器而直接照射到所述目标平面上的光叠加形成符合预定要求的照度分布。
2.根据权利要求1所述的出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器中的任何一种反射器，其特征在于：所述中心部分由铝材组成、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成；所述侧边部分由铝材、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成。
3.出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器，其特征在于，所述的反射器呈倒置在平面上的一个碗的形状，由作为碗底的中心部分和作为碗侧面的侧边部分组成，其中：
中心部分，有一个在所述碗底表面上向下凹陷的旋转中心，虚拟的通过所述旋转中心而垂直于x-y坐标标志的地面的一根轴称为系统旋转中心轴z；所述中心部分由在y-z平面上通过所述旋转中心的一条曲线绕所述系统中心轴旋转构成，所述中心部分反射的光在目标平面上形成具有中心旋转对称的照度分布；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布面积呈矩形，长为40m，宽为20m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在中心部分满足：z＝-0.0006y3-0.0066y2+0.3819y+20.0492，其中0≤y＜13.70cm；
侧边部分，由三维自由带状曲面不连续地拼接而成，每个所述带状曲面均是独立连续的曲面；所述面光源是一个球面光源，距所述目标平面上的距离为10m，光分布面积呈矩形，长为40m，宽为20m，过对称中心的y-z平面上截面的右半边曲线在侧边部分满足：z＝-0.0085y3+0.4579y2-9.1338y+84.0633，其中13.70cm≤y≤29.42cm；
所述中心部分在避免光源吸收和所述反射器内部的多重反射的条件下把内置于所述呈倒置的碗内的面光源发出的背离地面上目标平面的光反射到所述目标平面上，所述侧边部分反射的光与所述中心部分反射的光、所述面光源发出的不经所述反射器而直接照射到所述目标平面上的光叠加形成符合预定要求的照度分布。
4.根据权利要求3所述的出光表面积至少为10mm2的面光源用的反射器中的任何一种反射器，其特征在于：所述中心部分由铝材组成、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成；所述侧边部分由铝材、或由铝材和陶瓷两种材料叠加构成的混合材料中的任何一种构成。
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