CN102221182A - 共顶异轴多锥切面深口led反光罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩。影响LED路灯照明效果的主要技术方案之一是配光。常见1～5W分立式功率型LED器件配光方案为透镜矫正法：配光透镜紧贴LED器件出光一侧，改变光路实现配光。此方案光衰大，阻塞LED热辐射和对流通道，不利于LED散热。本发明采用共顶异轴多圆锥面与同侧相切平面构成深杯口镜面反光罩，为分立式功率型LED光源器件进行优化配光，不仅能实现蝙蝠翼型配光曲线，还不会造成LED光源器件散热通道的阻塞。本发明的优越之处在于：光效高、配光曲线好、不影响散热、安装方便、成本较低、易于推广。

Description

共顶异轴多锥切面深口LED反光罩

【技术领域】

本发明涉及一种LED反光罩，具体涉及一种共顶异轴多锥切面深杯口LED反光罩。

在将LED光源器件应用于道路照明灯具设计时，重要环节之一是配光技术。配光之要求源自实际需要，目的是要在同等光源条件下尽量获得道路照明最佳效果，包括合理用光、照度合理分配、照射区域合理覆盖，并要求在效照射区域内尽可能照度均匀，以及尽可能减少眩光、减少对周围环境的光污染等，所有这些都要求路灯设计必须基于配光合理的技术方案。

照明配光技术方案涉及光学知识，而LED光源配光技术还涉及与LED器件相关的一些特殊要求。只有将光学知识的一般性规律与LED光源器件的特殊性规律相结合，深入分析研究并扎实探索实践，才有可能最终得到符合LED光源在路灯、隧道灯、广场灯等应用领域的系统技术方案。本‘共顶异轴多锥切面深口LED反光罩’方案正是长期研究探索的成果之一。

【背景技术】

LED照明是新兴绿色照明高科技产业，LED光源产品具有绿色环保、高效节能特点，已得到国内外广泛重视。近年来，国内外不断推出各型各类LED路灯产品，其品种之繁、造型之多，甚至于数量之巨大，都是前所未见的，不少产品已获得相对成功的实际应用。目前，LED路灯系列产品已经逐渐引起各界重视，国内外市场已经开始逐渐升温。

不同于传统路灯光源：高压钠灯、高压汞灯、HID高强度气体放电灯、金卤灯等，LED光源器件应用于路灯领域，其配光技术总体方案相对既简单又更复杂。

说其简单，重要原因之一是LED光源器件尺寸与其灯具尺寸相比较，几乎可以忽略不计。也就是说，在进行光路分析时，分立式LED光源可以被理想化为点光源，其配光措施无论是采用透镜式还是反光罩式或兼而有之，比起相对尺寸大得多的传统光源来说，显然要简易得多：传统光源器件在路灯灯具的尺寸比例上无法理想化成点光源，其配光难度可以想见。

说其更加复杂，在于除了光学因素之外，必须考虑其它不得不考虑的因素，主要包括：

【1】LED光源器件的数量及其相互之间空间位置关系上，对灯具总体合成配光效果的影响；

【2】LED光源器件对周边工作环境的特殊要求：例如通风散热设计，要确保散热通道畅通；

【3】实施配光方案对系统总体影响的评估，以及其它一些特定的技术问题等。

如果仅靠单纯的光学配光设计，就算在光路设计层面获得满分，而没有将其它必须同时解决的问题处理好，或至少处理得比较好，则可以断言：基于缺失方案的LED路灯系统将无法通过严酷的长时间考验，最终只能是无功而返，绝不可能成为真正实用的主流技术方案。

LED光源配光分为排列法和矫正法，这里只讨论用器件改变LED光路的矫正法配光。

根据矫正法配光方案所采用的器件来分类，主要有透镜配光和反光罩配光两种。

透镜配光应用甚广，有些车灯就使用透镜配光。水运航道航标灯都配置特殊的菲涅尔透镜。大量使用的探照灯、舞台照明灯具等都使用透镜配光。通过光学透镜实现所需配光效果，是专业技术人员首先会想到的技术方案。目前在诸多LED路灯中，相当数量产品采用透镜配光，其中有些厂家生产的LED路灯，在实际使用初期的道路照明效果相当令人满意：光斑均匀度远远超过传统路灯，基本消除了斑马纹现象，眩光抑制也很有效。

反光罩在LED路灯中应用比例也不小，从粗略调查看，多数配光效果一般，不尽如人意：光斑分布不尽合理，灯下偏亮，仍有斑马纹，‘配’光效果不很理想。

综上分析，结论似乎不言自明：透镜优于反光罩。目前一些专业人士也认为：解决LED路灯配光问题的合理技术方案，非基于透镜莫属。其主要理由是：【1】从目前实际看到的各种LED路灯在道路照明配光路面光斑效果比较：透镜应用产品明显占优；【2】透镜材料光损失率仅为7％，或者说其透光率高达93％；【3】透镜的设计和制造技术成熟，易于批量生产，透镜成本有望大幅下降；【4】透镜便于独立安装，也方便整体安装。

然而，上述所列理由中忽略了非常重要的前提，这就是：LED路灯配光方案的光源是LED照明光源而不是其它光源。LED光源不仅具备光源属性，它还是化合物半导体器件，还具有化合物半导体器件属性。医生治病时首先应该搞清楚对象，否则谈何对症下药？

首先，LED路灯是新生事物，在相当长的时间内其技术方案将会不断推陈出新，在此阶段任何一个时间节点上得到的结论，都难免局限性，因此都仅能作为参考依据，而不具有作为定论的权威性，故而此时声言哪种技术方案之孰优孰劣为时尚早。

其次，就材料论材料。透光率达93％的透镜材料已属极品；而反光材料极品效率高出5个百分点：超过98％，而效率超过96％的材料价廉物丰。另一方面：常识告诉我们，材料光学特性并不能直接代表基于该材料的器件光学特性，由于LED配光透镜相对复杂的非线性造型、透镜各部位材料厚薄不同，以及难免的制造误差和表面缺陷等，都会造成折射率、多路径效应等边界条件发生很大变化，最终将会导致器件光损加剧、器件综合透光率比起材料透光率要大打折扣，因此成品配光透镜的真实透光率是否能超过80％都有待认真测定。

至于量产、成本与安装等因素，随着应用规模扩大都将不成问题。但对于LED器件本身物理特性的匹配，则必须格外强调，忽略了这一点将会铸成大错。

必须考虑到、更要解决好LED器件的散热难题，这是完全不同于传统光源器件应用设计中的特殊问题，是LED应用产品设计方面至关重要的问题之一。散热处理不好，LED光源器件就会被自身发热而‘烧死’。

众所周知热传播三个途径：【1】辐射；【2】对流；【3】传导。在LED灯具设计时首先要考虑光源LED器件的散热降温要求。采用矫正式配光方案，施加于LED光源器件的配光器件显然对LED散热效果会产生直接影响，尤其是涉及【1】辐射；【2】对流途径。

先说给LED光源器件加配透镜，由于紧靠其表面，则立即阻塞了对流通道，同时也阻滞了辐射通道，这对LED器件除底部PCB传导通路外的散热通道是十分明显的障碍。在LED器件工作温度已接近临界上限的情况下，任何可能导致散热效果恶化、热量聚集、LED结温上升的措施都必须慎用甚至禁用，否则将如同饮鸩止渴，成为压倒骆驼的最后一根稻草！

再说给LED光源器件加配反光罩，虽限制了对流通路，但并没有完全阻塞该通路；而对辐射的影响则很小，几乎可以忽略。所以反光罩方案在LED散热要求方面明显优于透镜。

上面已将两种技术方案在针对LED光源配光应用上可能带来的‘弊’进行了分析，除弊兴利为当务之急，既然透镜热阻之弊难以克服，则应该在反光罩配光性能的优化设计方面寻找出路。如果设计出能够实现理想配光效果的反光罩，则可以达到一箭双雕的奇效：一方面与透镜相比，系统综合光效可以提高20％以上，仅这一点就弥足珍贵；另一方面，反光罩引入的热阻因素远低于透镜器件，等效散热效果大大优于透镜方案，所以只需配置合理，就绝对不会提供压倒疲惫骆驼的最后一根稻草。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、制造工艺简单、重量轻成本低、性能优异的LED光源反光罩，用以提供LED路灯、隧道灯、广场灯配套应用，实现对矫正式LED照明光源配光技术方案的优化。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩。

为充分利用LED光源器件发出的光，必须提高投射到应照射区域的光通量比例，也就是要减少对无效区域的投射，这一点正好也符合减少眩光和减少光污染的要求，其实质就是：控制好发光立体角范围和指向。这就要求反光罩杯口深度必须大于大于LED光源器件的直径，即所谓的‘深杯口’。至于到底多深？应根据LED器件实际尺寸确定，对于常用的1～3W单颗功率型LED型器件，杯口深度应不小于15mm。

由于路灯的特殊应用功能，要求单头路灯理想照射光斑为长方形，进而最终能够与相邻路灯光斑相互连接，构成沿道路行进方向的均匀带状照射区域。对单头路灯来说，其理想光斑的长轴线以灯头下为中心，沿道路行进方向两侧展开，总有效长度略超过两灯杆间距；其理想短轴线应刚好覆盖整条路宽，并适当顾及人行道及道外绿地；照射区域内照度应尽量均匀。事实上，严格实现这样理想化的要求是不可能的，但近似实现还是有可能做得到的。

以LED光源点为发射原点，将光分配到若干不同指向的立体角内，使这些立体角与路面切割面尽量符合上述理想路灯的光斑形状。为此将反光罩设计成‘共顶异轴多锥面’形状，优选锥面为圆锥面，也可以为多棱锥面，例如四棱锥、六棱锥等，其指向为其中心轴所指，其原点或称顶点为LED光源器件的发光点。

为改善光斑均匀度，园锥面间交叠部分以相连锥面的相切平面修整。这样修整形成的曲面就是锥面与相切平面合成的‘锥切面’，既优化了光斑均匀度，同时还简化了反光杯口曲面加工的成本。按照这样的调整，对于单珠反光杯来说，就变成了‘双锥面’而不是多锥面，工艺实现容易得多。

采用1～3W功率型LED器件，构成的LED路灯要使用数量比较多的LED灯珠，这在配光技术方案上需要综合考虑，统一规划总体协调，按线性叠加原理实现最佳总体效果。

一般多珠LED路灯的LED灯珠布局，经常会采用平面矩阵式排列：纵多少列，横多少排。现以80珠LED路灯为例，按照4珠一排：4颗LED灯珠焊接在一条状铝合金PCB基板上，称为‘光源条’；再将20条这样的光源条顺序并列，形成4×20的LED光源矩阵。

为确保配光效果，同时也能有效简化设计和工艺，应针对4珠光源条进行统一配光，制作4珠光源条专用反光罩，称为4连珠反光罩条。20套4连珠光源条和4连珠反光罩条相配合，可以实现很理想的配光效果：实现路面近似长方形的光斑。长短轴比例预先可以设定，光斑均匀度很好，在有效光斑内，明暗比优于4∶1，特别是采用‘分水岭’方案，还可以获得更明显的分光效果。分水岭是指在两侧切面的垂直中心轴面，再起一反向锥形切面，可将直射到该面上的灯光，定向分配到两侧，加强向两侧配光、减弱灯下亮的效果。

【附图说明】

图1所示为一单LED灯珠所设计的双轴圆锥反光罩草图，图中符号1指出两个反光圆锥面，2指出两个圆锥面的中心轴，3指出两圆锥面的顶点，也是两锥面中心轴的交点。把两圆锥的中心轴当成射线，该点就是两条射线的共有原点。在有的情况下，需要在配光时将光斑的亮点打散，以获取更好的均匀度，这是可以将某个锥面的顶点沿自己的中心轴移动一段距离，离开共有顶点，这样就可以调整局部的光线，更好地配光。

图2所示为一单珠双轴锥切面反光罩立体图，4指出与两圆锥面相切平面构成的反光面。如果需要进一步降低光斑中心部位的照度，可以在两侧切面的中心法平面两侧，再起一个反向楞锥面，把照到中部的光分到两侧，就像分水岭的作用一样。

图3所示为真实开模制造的‘四珠八轴圆锥切面深口LED反光罩条’侧视正反面立体图。从图中可以看出：相邻的反光罩壁有部分重合交叉，从交叉线向上部分被全部删除掉，这样的技术处理优化了配光效果，使得造型更合理更美观。

图4为‘四珠八轴圆锥切面深口LED反光罩条’实施开模的整套工程图，注有标明的尺寸，严格按尺寸实施，可以开出高质量的模具，铸出优质的反光罩条。

【具体实施方式】

实施例一、单珠共顶40度轴夹角双圆锥切面22mm深杯口LED反光罩

本实施例如图2所示，提供单颗1～3WLED灯珠配光，在有效光斑区域与蝙蝠翼透镜相同情况下，实测照度平均高出透镜30％，效果非常好。

实施例二、4珠合成共顶40度轴夹角双圆锥切面22mm深杯口LED反光罩条

本实施例全套工程图纸如图4所示，反光罩条侧视立体图如图3所示，镜面抛光，反光表面折射率约98％，实测表明：总功耗100W的LED路灯，在配光实现蝙蝠翼配光曲线时，与采用透镜配光的160W其它LED路灯相当，节能效果非常明显。

实施例三、120W_80珠LED路灯

本实施例的路灯灯壳采用‘双翼展翅’型铝合金灯壳，安装20套由4连珠光源铝基板PCB条配接四珠八轴圆锥切面深口LED反光罩条组成的光源单元，再配以其它部件构成总体系统。总功耗120W，路面实测超过采用透镜方案150W的LED路灯。

Claims (10)

1.一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：反光面由多个指向不同的锥面和与之相切的平面构成。

2.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：反光锥面为圆锥面。

3.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：反光锥面为多棱锥面。

4.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：单个LED灯珠用反光罩的锥面数量不超过5个，优选为2个。

5.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：多个锥面共同的顶点位于各个锥面中心轴上，并且是各个锥面中心轴射线的原点。

6.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：多个锥面共同的顶点位于各个锥面中心轴上，但不全是锥面中心轴射线的原点。

7.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：基于单个LED灯珠反光罩排列组合成多个LED灯珠使用的反光罩条或反光罩模块。

8.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：多个LED灯珠使用的反光罩条或反光罩模块，构成其反光面的多个锥体的中心轴指向具有相同的夹角，以满足配光要求。

9.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：多个LED灯珠使用的反光罩条或反光罩模块，构成其反光面的多个锥体的中心轴指向具有不同的夹角，以满足配光要求。

10.根据权利要求1所述的一种共顶异轴多锥切面深口LED反光罩，其特征是：多个LED灯珠使用的反光罩条或反光罩模块，相邻单元间距靠近时，交叉重叠部分删除，删除后的边界须进行圆边处理。

Images