CN103277741B - 一种照明灯具分片反射配光方法及照明灯具 - Google Patents

Abstract

本发明属于照明技术领域，公开了一种照明灯具分片反射配光方法及基于该方法的照明灯具，本发明依据实验数据，通过建立数学模型、并借助数学拟合方法进行拟合得到灯具反射器最小开口与光源功率、灯具目标照射距离三者间的关系公式，将反射器的尺寸设计公式化，使得灯具设计人员在设计反射器时，不再需要凭借经验确定反射器尺寸的初始值，然后根据模拟仿真实验或样品测试反复调整确定最终大小尺寸。采用本发明的配光设计方法，不要求设计人员具有丰富的灯具配光设计的经验，设计人员只要具有简单的数学计算能力，并掌握常见的光效仿真模拟工具的简单操作知识即可完成灯具反射配光设计，并设计出具有较好反光性能的反射器。

Description

一种照明灯具分片反射配光方法及照明灯具

技术领域

本发明属于照明技术领域，涉及照明灯具的反射配光技术，具体的说是一种分片反射配光技术。

背景技术

对照明灯具来说，配光是影响其光效的重要因素。配光的方式主要包括反射和折射两种，目前大多数照明灯具采用反射器进行配光，即通过反射器将光源的360度(或180度)的发光向指定方向反射照明，同时试图通过改善反射器的反光性能提高灯具的光效。

分片反射配光(多曲面反射配光)技术最早应用于车灯，其原理是将反射器的反射面划分为多个曲面单元，各曲面单元具有各自的反射角或凹度，以达到将光源的部分光束向指定方向反射的效果，采用分片反射配光技术的反射器平面投影视图如图1所示。近年，随着该技术的不断成熟，大有转用到路灯、工矿灯等领域的趋势。如专利CN202229072U分开的方案就是多曲面反射配光技术在路灯上的一种应用。采用该技术的灯具，不仅可以提高光能的利用率，更重要的是可以设计出更符合照明需求光形(被照面上被灯具照亮的区域的形状)，比如，采用分片反射配光技术的路灯，可以通过设计各曲面片的不同反射角度，可以使路灯照亮顺着道路方向一个长条形区域，如专利CN101545609B公开的技术方案。

采用分片反射配光技术的反射器的设计需要达到两个方面的要求，其一是，利用最小的反射面，达到光能最大利用率，其二是，调整反射面的曲面片单元大小及反射角使光束向指定方向照射，进而形成目标光形。

现有技术中，进行分片反射配光时，首先，根据被照区域的光形需求选择方形(一般是四边带有一定弧度的近似方形)或圆形的反射器开口形状(照射区域为条形时，如路灯，则选择长方形开口，照射区域为圆形时，如工矿灯、车灯，选择圆形开口)，然后，凭经验估计确定反射器初始大小(开口大小、深度)，然后根据实验测试结果(通过光学计算模拟软件计算，或者制造样品实际测试)进行调整，根据经验分析达不到设计要求可能的原因，如有效反射面过小、某些曲面片的大小或方位不适当。然后再根据经验适当的进行调整，比如将开口增加20mm，再如侧面几个曲面片向内翻转0.2度等等。做出调整后，再进行实验，测试效果，如效果与之前没有变化，则再尝试其它可能解决问题的调整，再进一步实验、测试效果，直到反射效果达到设计要求。

上述现有配光过程是一个依赖于经验的反复实验过程，由于配光的复杂性，同一个问题具有多种可能的原因，不同的调整还可能导致新的问题。因此，在灯具配光过程中，即使经验丰富，也难免作出无价值的尝试，比如，在根据经验判断光源功率足够大的情况，针对中心照度不足的问题，通过调整曲面片角度得以解后，发现由于大量光束反射到中心区域，导致其它区域照度不足。最后才找出问题的真正原因在于反射面积过小，通过增加反射器开口大小得以解决。

针对这个例子不难想到，如果最初确定反射器的开口尺寸时有据可寻，则至少可以避免因反射面积过小而带来的光能损失，照度不足的问题，同时也就可以避免多次调整曲面片这种无谓的尝试了。

虽然，针对不同照明需求，设计出来的具体的反射器形状结构多种多样，但为了达到更好的配光效果，提高光能利用率，不同的配光设计过程都有着共同的特点，不同形状的反射器都满足相同的规范。找出不同配光设计的共同点，或不同反射器所满足的相同的规范，形成配光设计指导性依据，可以在定程度上避免配光设计过程中的盲目试验，也可以解决配光设计必须依赖于丰害的设计经验的问题。具有重大现实意义。

发明内容

本发明针对现有的照明灯具反射配光过程无据可寻，必须经反复实验根据实验结果反复调整，高度依赖实践经验而进行，不适于普通技术人员操作的问题，提出一种公式化的配光方案，以简化配光过程中的实验步骤，降低配光设计的难度，降低配光设计工作对配光设计人员的技术水平的要求。为灯具的设计、加工提供便利。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种照明灯具分片反射配光方法，采用具有由多个曲面片(曲面单元)组成的反射凹面的反射器对光源的光线进行反射棸光，其特征在于，方法包括：

根据式一计算获得反射器的最小开口的尺寸的步骤，

$\begin{array}{c}y=3.24\×{10}^{-4}{x}_1{x}_2^2-1.1909x_2^2-8.0366\×{10}^{-3}{x}_1{x}_2\\ +28.0243x_2-3.5951\×{10}^{-2}{x}_1+199.5029\end{array}$ (一)

式中x₁为光源的光通量以lm为单位的数值，x₂为目标照射距离以m为单位的数值，y为反射器开口的最大宽度以mm为单位的数值；和根据式二计算获得反射器的深度尺寸的步骤，

l＝y·L，(二)

式中l为反射器深度以mm为单位的数值，L为系数，L取值范围为0.3～0.5。

在照明灯具的各种参数中，反射器的开口大小是反射器反射性能的重要参数；能够达到最高光能利用率的反射器的最小开口与光源功率、灯具目标照射距离三者相互关联，本发明通过实验找出三者间的关系规律，推导得出其关系公式，为灯具设计尤其是灯具反射器的设计提供了重要依据。

本发明所述的分片反射配光方法利用上述关系公司，将反射器的尺寸设计公式化，使得灯具设计人员在设计反射器时，不再需要凭借经验确定反射器尺寸的初始值，然后根据模拟仿真实验或样品测试反复调整确定最终大小尺寸。

应用本发明的分片反射配光方法，设计人员在根据目标光形确定开口形状、灯具的目标照射距离x₂及所选光源的光通量x₁后，可以很容易地根据公式确定反射器的开口大小，之后，设计人员再根据光效仿真模拟工具计算结果，调整反射器的形状及组成反射凹面的曲面片数量、大小、形状及反射角以形成目标光形，即可完成配光过程。

采用本发明的配光设计方法，不要求设计人员具有丰富的灯具配光设计的经验，设计人员只要具有简单的数学计算能力，并掌握常见的光效仿真模拟工具(主要有美国光学学会开发的LightTools、LambdaResearchCorp.开发的TracePro、美国光学学会开发的ASAP等)的简单操作知识即可完成灯具反射配光设计，并设计出具有较好反光性能的反射器。虽然采用本发明所述的方法设计出来的反射器并不一定是最优秀的，但严格依据本发明方法设计的反射器至少可以在保证光能利用率、防止漏光等方面达到基本的配光要求。

本发明配光方法中涉及的公式，是依据实验数据，通过建立数学模型、借助数学拟合方法进行拟合得到的拟合公式。由于分片配光技术的应用，在现有各种照明灯具的应用实例中，已经很少见光源光通量为3000lm以上的例子(采用分片配光技术，光通量3000lm的光源已经足够达到常见灯具的照度要求)，推导该公式所采用的数据均基于光通量3000lm以下的光源进行实验获得，因此，本发明配光方法适用于光通量3000lm以下光源。

基于上述分片反射配光方法，本发明还提出一种规范化的照明灯具，包括光源和反射器，所述反射器呈半封闭容器状，反射器内表面为一个由多个曲面片所构成的反射凹面，所述光源位于反反射凹面的底部，

所述反射器的开口最大宽度以mm为单位的数值y满足式三条件。

$\begin{array}{c}y\≥3.24\×{10}^{-4}{x}_1{x}_2^2-1.1909x_2^2-8.0366\×{10}^{-3}{x}_1{x}_2\\ +28.0243x_2-3.5951\×{10}^{-2}{x}_1+199.5029\end{array}$ (三)

式中，x₁为光源的光通量以lm为单位的数值，x₂为灯具的目标照射距离以m为单位的数值。

所述反射器的深度(反射凹面到开口的最大距离)为开口最大宽度y的0.3～0.5倍。

本发明所述的照明灯具采用具有分片反射配光功能的反射器，并通过设计可以充分利用光线资源开口大小及深度，可实现不同配光要求的分片反射配光，同时保证灯具达到保证光利用率、防止漏光等基本的配光要求。

在灯具反射配光实践中，反射器的深度一般取开口最大长度尺寸的0.3～0.5倍，可以根据灯具的造型要求通过试验测试决定具体倍数；光源则需设置在容器的底部区域，以充分利用反射面。

所述反射器的开口形状为矩形、椭圆形、圆形中的一种。所述反射器的开口形状为矩形或椭圆形时，所述光源优选长条形光源；所述反射器的开口形状为圆形时，所述光源优选圆形光源。

所述反射器的曲面片的形状可以为任意四边形或任意三边形的空间三维曲面，如矩形、三角形、菱形、梯形或六边形的空间三维曲面(法向投影为矩形、三角形、菱形、梯形或六边形)。四边形与三边形的边优选曲边，曲面片的曲面面型可以是二次曲面或自由曲面。曲面片的大小，即任意四边形与任意三边形的边长，曲面片的方向(即曲面面型的法向)与曲面片的个数则根据灯具的配光要求通过实验分析给出。当曲面片选择梯形三维曲面时，在灯具照射方向上的投影面上，梯形顶边中心到底边中点的连线的延长线穿过光源的中心。

作为本发明所述的照明灯具的一种优选方案，本发明提出一种高杆高位路灯，包括高度为12米的灯杆、固定在灯杆上端的反射器、设置在反射器底部的光源，所述光源的光通量为3000lm，所述反射器开口为30mm×103mm的矩形。所述反射器内表面为由多个曲面片组成的反射凹面，所述曲面片的形状为矩形三维曲面，矩形三维曲面的长边与反射器开口长边方向一致。

作为本发明所述的照明灯具的另一种优选方案，本发明还提出一种低位工矿灯，包括固定于被照面上方3米高处的反射器、设置在反射器底部的光源，所述光源的光通量为2000lm，所述反射器的开口为半径80mm的圆形。所述反射器内表面为由多个曲面片组成的反射凹面，所述曲面片的形状为梯形三维曲面，且梯形三维曲面的方向与反射器开口的半径方向一致，即梯形顶边中心到底边中点的连线的延长线穿过反射器开口的圆心。

附图说明

图1是本发明所述的分片反射配光原理图。

图2是由矩形四边形曲面片组成的反射面的平面投影视图。

图3是由三角形曲面片组成的反射面的平面投影视图。

图4是由菱形四边形曲面片组成的反射面的平面投影视图。

图5是由六边形曲面片组成的反射面的平面投影视图。

附图标记说明：1-任意四边形；2-任意三边形，3-光源位置。

具体实施方式

下面结合实例进一步说明本发明所述的配光设计方法及基于该方法设计的照明灯具。

为保证反射器具有理想的光效，即光能利用率尽可能的提高，要求反射器要有足够的反射面积，一般以最小开口面积的特征来表示。其含义是反射器的开口面积大于这个最小值则可以满足配光要求，反之则无法满足配光要求。这个最小开口面积与光源光通量、照射距离有关。实践表明，光源光通量和目标照射距离与可以达到最高光能利用率的反射器的最小开口面积之间的关系具有一定的规律性，该规律可以用关系公式表示。下面给出的是该关系公式一种的推导实例

对3米工矿灯、12米路灯、25米汽车前照灯三种常用的照明灯具的反射配光经验数据进行总结，可以得到光源光通量、照明距离与最小配光尺寸平均值的对应关系，如下表1：

表1

采用二维插值方法，先分别对距离进行二次拟合，然后再对光通量线性插值。

1、二次拟合

设拟合函数为：

$y=a_1{x}_2^2+a_2{x}_2+a_3---\left(1\right)$

考虑表1的第一行经验数据，得表2。

表2

3	12	25
			230	300	130

根据表2，可以建立求解(1)式中的待定系数的法方程组：

$\left[\begin{array}{ccc}3& \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i& \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i& \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{x}_i^2{y}_i\end{array}\right]---\left(2\right)$

解得：

a₁＝-0.8345,a₂＝19.1841,a₃＝159.9580

这样得到对应750光通量的二次拟合公式：

$y_0=-0.9479x_2^2+21.9969x_2+172.5408---\left(3\right)$

同样可以得到对应1100光通量的二次拟合公式：

$y_1=-0.8345x_2^2+19.1841x_2+159.9580---\left(4\right)$

2、线性插值

根据拉格朗日插值公式

$f\left(x\right)=f_0\frac{x-x_1}{x_0-x_1}+f_1\frac{x-x_0}{x_1-x_0}---\left(5\right)$

进行二维的插值：

$\begin{array}{c}y=f_0\frac{x_1-x_{11}}{x_{10}-x_{11}}\left(y_0\right)+f_1\frac{x_1-x_{10}}{x_{11}-x_{10}}\left(y_1\right)\\ 750\×\frac{x_1-x_{11}}{x_{10}-x_{11}}(-0.9479x_2^2+21.9969x_2+172.5408)+\\ 1100\×\frac{x_1-x_{10}}{x_{11}-x_{10}}(-0.8345x_2^2+19.1841x_2+159.9580)\end{array}---\left(6\right)$

进一步整理得到：

$\begin{array}{c}y=3.24\×{10}^{-4}{x}_1{x}_2^2-1.1909x_2^2-8.0366\×{10}^{-3}{x}_1{x}_2\\ +28.0243x_2-3.5951\×{10}^{-2}{x}_1+199.5029\end{array}---\left(7\right)$

上式中，变量x₁为光源的光通量以lm为单位的数值、变量x₂为灯具目标照射距离以m为单位的数值，y为能够达到最高光能利用率的反射器的最小开口的最大宽度以mm为单位的数值。该公式即为表征光源光通量和目标照射距离与可以达到最高光能利用率的反射器的最小开口尺寸之间的关系的关系公式。

应用该公式时，如果反射器的开口形状为圆形，则计算得到的是圆的直径；如果是矩形，则为矩形的对角线长度。

下面通过几个实例验证该公式的有效性。

例1，反射器开口为矩形，曲面片的形状为矩形三维曲面，光源的光通量为3000lm，取目标照射距离12米，反射器深度取开口最大宽度的0.4倍。由公式计算获得最小开口尺寸为107mm，下表为取不同开口尺寸测得实验结果。

例2，反射器开口为矩形，曲面片的形状为梯形三维曲面，光源的光通量为1500lm，取目标照射距离7米，反射器深度取开口最大宽度的0.4倍。由公式计算获得最小开口尺寸为222.82mm，下表为取不同开口尺寸测得实验结果。

例3，以工矿灯为例，反射器开口为圆形，曲面片的形状为梯形三维曲面，光源的光通量为1000lm，取目标照射距离3米，反射器深度取开口最大宽度的0.5倍。由公式计算获得最小开口尺寸为215.71mm，下表为取不同开口尺寸测得实验结果。

例4，以汽车前照近光灯为例，反射器开口为圆形，曲面片的形状为矩形三维曲面，光源的光通量为800lm，取目标照射距离25米，反射器深度取开口最大宽度的0.3倍。由公式计算获得最小开口尺寸为128.30mm，下表为取不同开口尺寸测得实验结果。

下面几种实验证明配光效果较好的曲面片设计方案。

如图2所示，本发明给出一种分片曲面反射器应用的例子，其特征在于所述所述曲面片的形状为规则矩形四边形曲面。本例中，矩形四边形的大小(即边长)取值范围为长边为2-400毫米，短边为2-40毫米，矩形的个数>8，具体与灯具的高度、光源的功率有关，需通过分析给出。

如图3所示，本发明给出一种分片曲面反射器应用的例子，其特征在于所述所述曲面片的形状为规则三边形曲面。本例中，三边形的大小(即边长)取值范围为斜边为2-400毫米，直边为2-40毫米，三边形的个数>16，具体与灯具的高度、光源的功率有关，需通过分析给出。

如图4所示，本发明提出一种高杆高位照明灯灯反射器，其特征在于所述曲面片的形状为菱形三维曲面，且菱形的方向与灯具照明的方向垂直。本例中，菱形的大小(即边长)取值范围为边长为2-400毫米，菱形的个数>10，具体与灯杆的高度、光源的功率有关，需通过分析给出。

如图5所示，本发明提出又一种高杆高位照明灯反射器，其特征在于所述曲面片的形状为梯形三维曲面(图中每个六边形可看成2个梯形组成)，且梯形的方向与灯具照明的区域有关，将灯具照明的区域以灯具为中心用极坐标表示，则坐标线给出的扇面方位与梯形一致。而梯形的大小(即四边形的边长)与个数本例中，梯形的大小(即边长)取值范围为长边为2-400毫米，短边为2-40毫米，梯形的个数>16，具体与灯杆的高度、光源的功率有关，需通过分析给出。

上述实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种照明灯具分片反射配光方法，采用具有由多个曲面片组成的反射凹面的反射器对光源的光线进行反射棸光，其特征在于，方法包括：

根据式一计算获得反射器的最小开口的尺寸的步骤，

$\begin{array}{c}y=3.24\×{10}^{-4}{x}_1{x}_2^2-1.1909x_2^2-8.0366\×{10}^{-3}{x}_1{x}_2\\ +28.0243x_2-3.5951\×{10}^{-2}{x}_1+199.5029\end{array}$ (一)

式中x₁为光源的光通量以lm为单位的数值，x₂为目标照射距离以m为单位的数值，y为反射器开口的最大宽度以mm为单位的数值；

和根据式二计算获得反射器的深度尺寸的步骤，

l＝y·L(二)

式中l为反射器深度以mm为单位的数值，L为系数，L取值范围为0.3～0.5。

2.根据权利要求1所述的照明灯具分片反射配光方法，其特征在于，所述反射器的开口形状为矩形、椭圆形、圆形中的一种。

3.根据权利要求1所述的照明灯具分片反射配光方法，其特征在于，所述反射器的开口形状为矩形或椭圆形，所述光源为长条形光源。

4.根据权利要求1所述的照明灯具分片反射配光方法，其特征在于，所述反射器的开口形状为圆形，所述光源为圆形光源。

5.一种照明灯具，包括光源和反射器，所述反射器呈半封闭容器状，反射器内表面为一个由多个曲面片所构成的反射凹面，所述光源位于反射凹面的底部，所述反射器的开口最大宽度以mm为单位的数值y满足式三条件，

$\begin{array}{c}y\≥3.24\×{10}^{-4}{x}_1{x}_2^2-1.1909x_2^2-8.0366\×{10}^{-3}{x}_1{x}_2\\ +28.0243x_2-3.5951\×{10}^{-2}{x}_1+199.5029\end{array}$ (三)

式中，x₁为光源的光通量以lm为单位的数值，x₂为灯具的目标照射距离以m为单位的数值；

所述反射器的深度为开口最大宽度y的0.3～0.5倍。

6.根据权利要求5所述的照明灯具，其特征在于，所述曲面片为矩形、三角形、菱形、梯形或六边形的空间三维曲面。

7.根据权利要求5所述的照明灯具，其特征在于，所述曲面片的曲面面型是二次曲面或自由曲面。

8.根据权利要求5所述的照明灯具，其特征在于，所述曲面片为梯形三维曲面，在灯具照射方向上的投影面上，梯形顶边中心到底边中点的连线的延长线穿过光源的中心。