CN107166327B - 一体式的自然光与led光混合光照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于照明灯具技术领域，具体为一体式的自然光与LED光混合光照明装置。本发明装置为面板型结构，包括导光管与面板的耦合结构，LED与面板的耦合结构，面板型基体，照明面板光出射面，齿形反射面；由导光管传输的自然光耦合到面板中心垂直于面板法线入射，LED从面板周边与其耦合入射，两种光经交替的齿形反射面反射混合从面板的同一面出射。通过调整具有自由曲面齿形反射面的微结构，可以改变两光分配比例及出射光线的光分布模式。本装置利用光‑光转换的绿色健康的自然光，与LED混合照明具有节能、高效、智慧照明的特点，可广泛应用于家居、商场、地下停车场、矿井等场合。

Description

一体式的自然光与LED光混合光照明装置
技术领域
本发明属于照明灯具技术领域，具体涉及包含有自然与LED双光的混合光照明装置。
背景技术
照明是世界能源消耗的重要组成部分，目前人工照明主要消耗电力能源。采用自然光照明可以直接利用自然光的能量，省去了光-电-光的能量转换过程，将自然光作为人工照明的补充可以有效节省因照明而产生的电力能源消耗。随着光传导技术、LED照明等技术的发展，将自然光通过导光管传导到室内并与LED光组成混合光照明的照明方式已成为可能。自然光与LED混合光照明有望广泛应用于诸如商场、写字楼、地下室、停车场、矿井等需要照明的场所。自然光与LED混合光照明的概念已经被提出很久，但是用于混合自然光与LED光的一体式照明系统的设计却很少。在CN102563516中提出了一种光纤照明与LED灯互补照明的系统设计，但是其灯具光学部分仍是利用分离式的透镜对光纤传导的光与LED光分别进行调制的，离散式的结构对系统的调试和安装都提出了很高的要求。基于上述因素，本发明提出了一种一体式的自然光与LED光混合照明装置。
发明内容
本发明为了充分利用绿色健康的自然光，提出了一种将自然光与LED光混合一体式的照明装置，该装置采用面板式结构，具有两光共光路传输的特点，可为室内提供环保稳定的照明。
本发明提出的自然光与LED光混合光照明装置，为面板式结构，如图1-图3所示，包括导光管与面板的耦合结构1，LED与面板的耦合结构2，面板型基体3，照明面板光出射面4，齿形反射面5；其中：
所述导光管与面板的耦合结构（1）用于连接导光管，并通过其中的配光曲面对经导光管传播入射的自然光进行配光调制，使得进入面板型基体3的自然光经过反射或全反射可以从装置的一个面板面出射，自然光在面板内部传播过程中，一部分沿着径向向外扩散传播，一部分经齿形反射面5反射后，由光出射面4出射；
所述LED与面板的耦合结构2用于固定LED模组并对LED出射的光进行配光调制，使得进入面板型基体3的LED光经过反射或全反射可以从装置面板的光出射面4出射，LED光在面板内传播过程中，一部分沿着径向向中心传播，一部分经齿形反射面5反射后，由光出射面4出射；照明面板光出射面4通过改变其表面曲率，可以控制混合光照明装置整体的混合光配光角度；齿形反射面5位于照明面板光出射面4的对侧，对经导光管与面板的耦合结构1入射的自然光和对经LED与面板的耦合结构2入射的LED光起到反射作用，使其混合光从照明面板光出射面4出射，通过调节齿形反射面5的齿形单元微结构，可以调制出射混合光的光分布模式，从而适应不同照明场合的需求。
本发明中，所述面板型基体3的尺寸（以面板上最远两点距离计）范围为10mm—1000mm，面板形状包括但不局限于圆形、正方形、其它多边形。
本发明中，所述的导光管与面板的耦合结构1、齿形反射面5位于面板的同侧，所述的导光管与面板的耦合结构1能容纳的光纤外径尺寸范围为1mm-100mm, 所述的导光管与面板的耦合结构拥有配光曲面调制入射自然光，配光曲面的构造包括但不局限于凹面、凸面、圆锥面、平面、其它自由曲面，以及其组合或合成面。
本发明中，所述的LED与面板的耦合结构2分布于所述的面板型基体3的周边，一个所述的LED与面板的耦合结构2对应一个LED模组，所述的LED与面板的耦合结构2的数量范围为2-100个，可以根据面板大小进行数量的调整；所述的LED与面板的耦合结构2可在一端或双端开口，以便于实际加工，所述的LED与面板的耦合结构2中的配光面包括但不局限于凹面、凸面、柱面、平面、自由曲面及其合成面。
本发明中，所述的照明面板光出射面4为平面或曲面，曲面包括但不局限于凸面、凹面、其它自由曲面，以及其组合或合成面。
本发明中，所述的齿形反射面5为镀反射膜的齿形面，所述的齿形反射面5的截面曲线为齿形线阵列，每一个齿形线单元的两侧为直线或曲线，曲线包括但不局限于圆锥曲线和其它自由曲线，所述的齿形反射面5在所述的面板型基体3一侧，以圆形、多边形或其它曲线形状由内到外分布。
本发明中，自然光与LED光共用光路，经由同一面板调制出射。
本发明中，自然光入射位置与LED入射位置可以交换，即所述的导光管与面板的耦合结构1的位置既可以在所述面板的齿形反射面5的同一侧，也可以在所述的面板型基体3的周边；所述的LED与面板的耦合结构2的位置既可以在所述的面板型基体3的周边，也可以在所述的齿形反射面5的同一侧。
本发明中，本发明中，所述的混合光照明装置主体由透明光学材料构成，材料包括但不局限于冕类玻璃、火石玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸脂（PC）、苯乙烯丙烯腈、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物（MS）等。
本发明混合光照明装置既可以作为照明用的光出射装置，也可以作为自然光的搜集装置；即原混合光出射面可以作为自然光的接收面，通过调整所述的齿形反射面5的齿形微结构，可以将入射的自然光经反射或全反射会聚到所述的导光管与面板的耦合结构1处，LED光仍从所述的LED与面板的耦合结构2入射，混合的自然光和LED光经过所述的导光管与面板的耦合结构1传导至导光管，并经导光管传导至目标区域提供照明。
本装置利用光-光转换的绿色健康的自然光，与LED混合照明具有节能、高效、智慧照明的特点，可广泛应用于家居、商场、地下停车场、矿井等场合。
附图说明
图1为本发明的混合照明装置结构截面图。
图2为本发明的混合照明装置结构俯视图。
图3为本发明混合照明装置的总光路图。
图4为本发明装置的自然光单光路图。
图5为本发明装置的LED单光路图。
图6为本发明具有圆形外形的面板型结构。
图7为本发明具有八边形外形的面板型结构。
图8为本发明具有正方形外形的面板型接构。
图9为本发明的在纯自然光照明下在3 m远接收面上的照度分布图。
图10为本发明的在纯LED照明下在3 m远接收面上的照度分布图。
图11为本发明的在自然光与LED混合光照明下在3 m远处接收面上的照度分布图。
图中标号：1为导光管耦合结构，2为LED入射耦合结构，3为混合光照明装置主体，4为照明面板光出射面，5为齿形反射面，6为光导管，7为第一LED模组，8为第二LED模组，9为第三LED模组，10为第四LED模组，11为第五LED模组，12为第六 LED模组，13为第七 LED模组，14为第八LED模组。
具体实施方式
如图1所示，为本发明自然光与LED混合光照明装置的结构示意图。混合光照明装置采用圆形面板作为基体，圆形面板直径300 mm，厚度20 mm。采用外径为20 mm的导光管6传导自然光，导光管6传导入1000 lm自然光；导管光6经耦合结构1与混合光照明装置主体（面板）3相连接，导光管与面板耦合结构1内径21 mm，采用卡扣式结构与导光管6相连接，导光管与面板耦合结构1中的配光曲面采用45度倾角圆锥面。采用8颗1W白光LED模组（即第一LED模组-第八LED模组）7-14作为混合光照明装置的LED光源组，LED型号为CREE XR-E；其中一个LED模组7和一个LED与面板耦合结构2匹配，LED与面板耦合结构2内配光曲面采用曲率为9mm的圆柱面。照明面板光出射面4采用平面结构。齿形反射面5的截面曲线由抛物线和不同倾角的直线组成，根据齿形单元与LED相对位置确定LED光线入射方向，再根据需要生成的配光确定出射光线方向，从而确定直线齿形线倾角。齿形反射面在混合光照明装置面板上由内到外按同心圆环分布。如图6所示，是根据上述参数生成的混合光照明装置立体图。所有的外形结构不局限于图6圆形的外形，也可以是像图7八边形的外形，每个LED光源分别镶嵌在八个边，或者像图8四边形的外形，八个LED光源每两个镶嵌在一个边缘。图9是根据上述参数在单自然光光输入下在3 m远处接收面上的照度分布图；图10是根据上述参数在单LED光输入下在3 m远处接收面上的照度分布图；图11是根据上述参数在单LED光加自然光混合光输入下在3 m远处接收面上的照度分布图。
本发明有以下特点：
1. 自然光与LED光混合光在一体式装置内实现，混合光照明装置既可以作为由导光管传播的自然光时的单独照明装置，也可以作为LED光的单独照明装置，还可以作为自然光与LED光混合照明时的照明装置；
2. 混合光照明装置的齿形反射面结构可以微调，通过改变齿形面截面曲线的曲线类型可以改变混合出射光的光分布模式，从而满足特定照明场合对配光的要求；
3. 混合光照明装置具有较高的光使用效率，在图9、图10、图11所示的单自然光照明模式、单LED光照明模式、LED光加自然光混合光照明模式的模拟仿真中，均可达到70%以上的照明效率。
以上所述的本发明具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一体式的自然光与LED光混合光照明装置，其特征在于，包括导光管与面板的耦合结构（1），LED与面板的耦合结构（2），面板型基体（3），照明面板光出射面（4），齿形反射面（5）；所述的齿形反射面（5）为镀反射膜的锯齿形面，所述的齿形反射面（5）的截面曲线为齿形线阵列，每一个齿形线单元的两侧为直线或曲线；所述的齿形反射面（5）在所述的面板型基体（3）一侧，以圆形、多边形或其它曲线形状由内到外分布；所述的LED与面板的耦合结构（2）分布于所述的面板型基体（3）的周边，一个所述的LED与面板的耦合结构（2）对应一个LED模组，所述的LED与面板的耦合结构（2）的数量范围为2-100个，根据面板大小进行数量的调整；所述的导光管与面板的耦合结构（1）的位置在所述面板的齿形反射面（5）的同一侧；
其中导光管与面板的耦合结构（1）用于连接导光管，并通过其中的配光曲面对经导光管传播入射的自然光进行配光调制，使得进入面板型基体（3）的自然光经过反射或全反射从装置的一个面板面出射，自然光在面板内部传播过程中，一部分沿着径向向外扩散传播，一部分经齿形反射面（5）反射后，由光出射面（4）出射；LED与面板的耦合结构（2）用于固定LED模组并对LED出射的光进行配光调制，使得进入面板型基体（3）的LED光经过反射或全反射从装置面板的光出射面（4）出射，LED光在面板内传播过程中，一部分沿着径向向中心传播，一部分经齿形反射面（5）反射后，由光出射面（ 4） 出射；照明面板光出射面（4）通过改变其表面曲率，控制混合光照明装置整体的混合光配光角度；齿形反射面（5）位于照明面板光出射面（4）的对侧，对经导光管与面板的耦合结构（1）入射的自然光和对经LED与面板的耦合结构（2）入射的LED光起到反射作用，使其混合光从照明面板光出射面（4）出射，通过调节齿形反射面（5）的齿形单元微结构，调制出射混合光的光分布模式，从而适应不同照明场合的需求。
2.根据权利要求1所述的混合光照明装置，其特征在于：所述面板型基体（3）的尺寸以面板上最远两点距离计的范围为10mm—1000mm，面板形状为圆形、正方形或其它多边形。
3.根据权利要求1或2所述的混合光照明装置，其特征在于：所述的导光管与面板的耦合结构（1）、所述的齿形反射面（5）位于面板的同侧，所述的导光管与面板的耦合结构（1）能容纳的光纤外径尺寸范围为1mm-100mm, 所述的导光管与面板的耦合结构拥有配光曲面调制入射自然光，配光曲面的构造为凹面、凸面、圆锥面、平面或其它自由曲面，或其中几种的组合或合成面。
4.根据权利要求3所述的混合光照明装置，其特征在于：所述的LED与面板的耦合结构（2）在一端或双端开口以便于实际加工，所述的LED与面板的耦合结构（2）中的配光面为凹面、凸面、柱面、平面或自由曲面，或其中几种的合成面。
5.根据权利要求1、2或4所述的混合光照明装置，其特征在于：所述的照明面板光出射面（4）为平面或曲面，曲面为凸面、凹面或其它自由曲面，或者其中几种的组合或合成面。
6.根据权利要求5所述的混合光照明装置，其特征在于：自然光与LED光共用光路，经由同一面板调制出射。
7.根据权利要求6所述的混合光照明装置，其特征在于：自然光入射位置与LED入射位置交换，所述的导光管与面板的耦合结构（1）的位置在所述的面板型基体（3）的周边；所述的LED与面板的耦合结构（2）的位置在所述的齿形反射面（5）的同一侧。
8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的混合光照明装置，其特征在于：所述的混合光照明装置还作为自然光的搜集装置；即原混合光出射面作为自然光的接收面，通过调整所述的齿形反射面（5）的齿形微结构，将入射的自然光经反射或全反射会聚到所述的导光管与面板的耦合结构（1）处，LED光仍从所述的LED与面板的耦合结构（2）入射，混合的自然光和LED光经过所述的导光管与面板的耦合结构（1）传导至导光管，并经导光管传导至目标区域提供照明。
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