CN103175039A - 一种多路汇入led曲面灯结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路汇入LED曲面灯结构，包括设于夹件内的侧入式的LED，以及内外多路汇入型导光板，导光板内外面设有凸点；公开了两导光板结合处的两切线夹角的最大值与导光板的曲率半径与厚度的关系式；导光板上设定凸点是根据光线追迹的结果，给出需要追迹光线的数目，确保光能量的最大程度地得到利用，实现面板灯的大功率和高亮度。

Description

一种多路汇入LED曲面灯结构

技术领域

本发明涉及LED发光面板技术领域，特别涉及一种多路汇入的LED曲面灯结构。

背景技术

LED具有体积小，低压直流，绿色环保，寿命长，显色性高等优点，在照明领域有着广宽的应用前景。近年来，LED固体灯照明相关技术得到了快速发展，特别是面板灯具，因为发光面积大，光线柔和，没有刺眼的眩光，正在迅速代替白炽灯在室内照明的应用。

面板灯需要LED模块作为光源，从LED光源导入方式上分，有直下式和侧入式两种，直下式面板灯由于需要LED光束散开空间，几何尺寸特别是厚度方面，很难做到紧凑。侧入式平板灯要比直下式平板灯薄得多，只需能装配各部件的厚度即可。侧入式平板灯的俯视图如图1，立体图如图2所示，1，3是出光面板，2，4是铝框架；剖面分解结构图如图3所示，包括铝底板5，高反射纸或者高反射膜6，铝框架7，导光板8，散光板9，部分反射部分透射的出射灯罩10，以及LED灯珠11。铝框架把平板灯所需的各个部件固定安装在一起，其中与铝底板一起，还可以起到平板灯具的散热作用，LED灯珠被固定在铝框架上，垂直于导光板侧端面注入光线，铝底板和导光板之间放置一张高反射纸，使得把向底板方向的光线反射上去，导光板是平板灯的核心，灯的亮度及均匀性，主要看它的结构，导光板与最外面的灯罩之间，为了让光强分布进一步均匀，放置一块菱晶扩散板，扩散板扩散开的光线再经过部分反射部分透射的灯罩，然后发射出去。

面板灯出射的光线方向主要是垂直于出光板面，当出射光线偏离平板垂直角度稍大之后，强度将会迅速降低。因此，上面说的平板灯，不管是直下式还是侧入式的，因为出光是平板，有效照明面积相对偏小，如30×60cm的20W平板灯，只能对5～8平米面积空间做到有效照明。另外，现有的侧入式平面板灯，LED只能分布在周边，这样，使用的LED的数量由灯具的周长限制着，灯具的功率也受限制着，想进一步提高亮度只能使用散热要求很高的大功率LED，而紧凑简易的结构有成为不可能。因此，目前的面板灯技术，它的工作方式以及几何结构决定着，获得有效照明的面积较小。

发明内容

本发明致力于克服现有面板灯技术中存在上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种多路汇入、LED侧入式光注入、弯曲发光面板的结构以及设计方法，通过此方法设计的曲面板灯，结构简单，发光面板大，光强分布均匀，亮度高，可以对大面积进行有效照明。

实现本发明目的所采用的技术方案为：一种多路汇入LED曲面灯结构，包括基板、LED发光元件和导光板，LED发光元件具有多个并设于基板上，导光板覆于LED发光元件上方；导光板包括外导光板和内导光板，外导光板为曲形面板的结构；外导光板具有覆于LED发光元件上方的侧边，LED发光元件发出的光从外导光板的侧边射入导光板内；内导光板一体连接于外导光板朝向基板的一面，内导光板的侧边覆于LED发光元件上方，LED发光元件发出的光从外导光板的侧边射入导光板内。

优选的，所述外导光板具有均匀的厚度，以及一致的曲率半径；所述内导光板为曲形面板的结构，内导光板的厚度和曲率半径与外导光板相同。

优选的，所述导光板的厚度为1.62mm至3mm。

优选的，所述导光板的曲率半径r≥2.35H，其中H是导光板的厚度。

优选的，所述内外导光板在连接处的夹角为θ=acrsin[0.94r/（r+H）]-acrsin[0.66（r+H）/r]，其中，r为导光板的曲率半径，H是导光板的厚度。

优选的，所述外导光板的表面设有凸点。

优选的，所述凸点为半个亚克力球的结构，其直径为d；所述LED发光元件射入导光板侧边的光束角度为β，该光束的上边缘光线和下边缘光线打在导光板之间的弧线长度为L；对应入射角度间隔相等的n条光线，n=L/d,每条光线对应设一个凸点，入射角度相对较小的光线对应的凸点设在远处，入射角度相对较大的光线所对应的凸点设在近处。其中，远、近为相对而言。

优选的，所述外导光板朝向基板的一面设有反射纸，另一面设有散光板和/或灯罩。

优选的，所述基板上设有压缩光束的夹件，LED发光元件嵌套于夹件内。所述基板优选铝基板，夹件为铝夹件,LED发光元件优选LED灯珠。

优选的，所述夹件压缩光束的角度为20度至40度。

导光板的设计是平板灯的核心，本发明是根据LED光线入射导光板的角度大小依次交叉追迹设置成导光板密度基本均匀的凸点，使得光线的均匀出射。导光板凹面上，除了内部分路光注入的接口，都贴上高反纸或者高反射膜。在导光板的前面，是一块扩散板。最外面，是部分反射部分透射的乳白色灯罩。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明提供的方法设计的导光板曲率以及导光板对接，对本发明的LED模块耦合进来的光线全部满足全反射条件，光线在无凸点导光板内可无泄漏损失地传播。

（2）本发明提供的方法设计的导光板的凸点，是根据光线追迹确定下来的，光能量得到最大程度的利用，降低光在导光板全反射投射不出去的可能，并且凸点密度基本相等也保证了灯具的均匀出光。

（3）本发明是侧入式多路LED光注入的弯曲面板发光，实现LED面板灯具的大功率，完全可以保证发光面板的高亮度。

（4）本发明的灯具的发光面板是弯曲，可根据不同形状不同面积的照明要求设计面板灯发光曲面的形状和大小。另外还可以根据亮度要求，调整导光板外侧内侧LED灯珠数量，光线柔和亮度高。一盏大功率弯曲的面板灯即可实现大面积的照明要求。

附图说明

图1为现有技术中LED平面板灯的俯视示图；

图2为现有技术中侧入式LED平面板灯的立体视图；

图3为现有技术中侧入式LED平面板灯的结构分解示意图；

图4为本发明实施例多路汇入LED曲面灯结构的剖面示意；

图5为本发明实施例中压缩LED光束的铝夹件的结构示意图；

图6为本发明实施例中光线在导光板全反射的示意图；

图7为本发明实施例中多路光注入导光板的全反射示意图；

图8为本发明实施例中导光板的凸点结构的示意图；

图9为本发明实施例中导光板的凸点的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本本实施例为一种多路汇入的侧入式LED曲面灯结构，发光曲面可以是柱形的侧面，也可以是球面甚至可以是圆柱面加球面等面型，发光面板可以根据照明面积、形状而特定设计。

本发明的曲面灯结构如图4所示，12是铝基板，可安装的面板灯各零部件在其上面，并且有散热的作用，13是LED灯珠，嵌套在压缩光束铝夹件内，14是反射纸，15是透光率很好的亚克力导光板，16是散光板和/或灯罩，17是内部分路光注入的导光板，18是导光板凸点。导光板的凹凸面上都设计有凸点，光线打到凸点上，光线的全反射条件受到破坏，部分光线将透射出去，部分光线将沿相反方向射向面板底部，而底部的高反射纸将会把光线反射回去。透过导光板的光线，经过外面的散光板和乳白灯罩后，实现均匀出射。

下面说明本实施例的一种多路汇入侧入式LED曲面灯结构的几个关键部件的设计思路。

（1）内外导光板的曲率，导光板厚度只要大于1.62mm，就可以满足LED光耦合的要求，但是考虑到装配的精度，凸点设计等问题，厚度选择为3mm。

如图6所示，为弯曲的导光板的剖面图，23为导光板，24为只经过导光板的凸面实现全反射的光线，25是经过导光板面凹凸面实现的全反射的光线。

光线进入导光板的光束角度为-20度～+20度，如果导光板曲率过大，全反射条件将不满足，光线将很快就泄漏出射，这将使得灯具出射的光强分布不均匀。这两种类型的全反射光线在设计导光板的曲率的时候必须考虑进去。然而，LED的120度发散光束是不满足导光板全反射条件的，解决办法是最大程度地压缩LED光束夹角。

如图5所示铝夹件结构示意图，本发明使用铝夹件来压缩LED光束的夹角，19为铝夹件的夹片，20为夹片用于反射的斜边，21为安装在夹件里面的LED灯珠，22为导光板。把LED的120度光束压缩到40度。

为了满足全反射条件，导光板的厚度、曲率还必须控制在一定参数之内，如导光板厚度为3mm的情况下，控制导光板的曲率半径大于7.1mm；如果导光板为4mm，曲率半径必须大于9.4mm。总之，导光板的曲率半径r≥2.35H，其中H是导光板的厚度。

（2）计算内外导光板曲面交汇处允许最大夹角。内外导光板曲面交汇，要求外导光板的光线不能进入内导光板中，内导光板的光线可以全反射进入外导光板，实现多路光汇入的目的。

由于需要为内部腾出更多空间，一般使用的是外导光板是相对的大曲率半径曲面，内导光板使用相对的小曲率半径的曲面。

如图7所示，26为外导光板，27为内外导光板的夹角，28为内导光板。

根据导波光学分析，满足全反射条件的内外两导光板之间夹角，两导光板的曲率半径，厚度之间有以下式子的关系，θ=acrsin[0.94r内/（r内+H内）]-acrsin[0.66（r外+H外）/r外]。假如内、外导光板的曲率半径分别是50mm和100mm，厚度均为3mm，那么两导光板之间的夹角最大为19.8度，也就是说两曲面相交的切线角度控制小于19.8度，光线可全反射通过导光板交汇处。

（3）导光板的凸点设计：所有的光线都在导光板内无损耗全反射传输，而它们的光锥是各不一样的，不同的光锥经过导光板面位置也不一样。角度为0～arccos(r/r+H)的入射光锥，均有不经过凹面反射即完成全反射的光线，如图6中所示的光线24。对于这部分光线，需要在导光板的凸面上设凸点，凸点就是一个直径为1.4mm向外突出的半个亚克力球。

首先计算出LED灯珠光束β度角的入射光束上边沿光线和下边沿光线打在导光板之间的弧线长度为L，然后确定需要追迹L/1.4=n条光线，那么每间隔arccos(r/r+H)/n的角度追迹一条光线，每条光线只设一个凸点，光线打到导光板面处均可设凸点的位置。小角度的光线的选择在远处设点，大角度的选择在近处设点，但不绝对，为了使得导光板凸点相对均匀，某些大角度的光线也可以选则到较远的位置设点。导光板有几路的光注入，凸点所设置的远点就在平均值附近。

如图8所示，29是外导光板，30是内LED光注入导光板，31是设置的凸点。

对于0度角的光线，在光线打在导光板的远端的位置设点，然后再追迹下一条光线，光线将落在0度角光线前面，即次远端的位置，在上面设凸点。依次类推，直到把最大角度的光线在LED出光附近设点；对于0～20度的光线，均有在导光板两个面上来回全反射传输的，这部分的光线，可以在导光板的凹面设点来破坏其全反射条件的。凹面设点的方法跟在凸面设点的方法相同，但所设的点是向内凸的直径为1.4mm的半个空气球。追迹的光线数目跟前面计算出来的n相同，即每隔20/n的角度追迹一条光线，每条光线只设定一个凸点，小角度的光线选择在远处设点，大角度的尽量选择在近处设点。单位面积上的凹凸面上凸点数之和要求基本相等。

导光板剖面的形状如图9所示。

上述为本发明一种多路汇入LED高功率曲面灯结构及其设计方法实施过程，但本发明的实施方式并不受所述实施的限制，如导光板胶合处可以是弯曲曲面也可以是倾斜的平面；导光板设置的凸点也可以角度随机追迹来确定位置设点的。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多路汇入LED曲面灯结构，包括基板、LED发光元件和导光板，LED发光元件具有多个并设于基板上，导光板覆于LED发光元件上方；其特征在于，导光板包括外导光板和内导光板，外导光板为曲形面板的结构；外导光板具有覆于LED发光元件上方的侧边，LED发光元件发出的光从外导光板的侧边射入导光板内；内导光板一体连接于外导光板朝向基板的一面，内导光板的侧边覆于LED发光元件上方，LED发光元件发出的光从外导光板的侧边射入导光板内。

2.根据权利要求1所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述外导光板具有均匀的厚度，以及一致的曲率半径；所述内导光板为曲形面板的结构，内导光板的厚度和曲率半径与外导光板相同。

3.根据权利要求2所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述导光板的厚度为1.62mm至3mm。

4.根据权利要求2所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述导光板的曲率半径r≥2.35H，其中H是导光板的厚度。

5.根据权利要求2所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述内外导光板在连接处的夹角为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{acr}\sin \frac{0.94r}{r+H}-\mathrm{acr}\sin \frac{0.66(r+H)}{r},$

其中，r为导光板的曲率半径，H是导光板的厚度。

6.根据权利要求1所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述外导光板的表面设有凸点。

7.根据权利要求6所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述凸点为半个亚克力球的结构，其直径为d；所述LED发光元件射入导光板侧边的光束角度为β，该光束的上边缘光线和下边缘光线打在导光板之间的弧线长度为L；对应入射角度间隔相等的n条光线，每条光线对应设一个凸点，其中，

；

入射角度相对较小的光线对应的凸点设在远处，入射角度相对较大的光线所对应的凸点设在近处。

8.根据权利要求1所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述外导光板朝向基板的一面设有反射纸，另一面设有散光板和/或灯罩。

9.根据权利要求1所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述基板上设有压缩光束的夹件，LED发光元件嵌套于夹件内。

10.根据权利要求9所述的多路汇入LED曲面灯结构，其特征在于，所述夹件压缩光束的角度为20度至40度。

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