CN107366853A - 一种高均匀度的led黑板灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高均匀度的LED黑板灯，其包括具有灯体外框、电源、PCB线路板和光学透镜的黑板灯主体，LED配光为半光强角为120°的朗伯体，配光曲线C0/C180面记为平行于黑板面，配光曲线C90/C270面记为垂直于黑板面；光学透镜包括透镜内腔上曲面、透镜出射面，透镜出射面为以LED发光面的中心为原点的圆弧面；设定透镜内腔上曲面与LED发光面的最小距离，计算透镜内腔上曲面断面的轮廓线；LED半光强角为120度，其中100度的光线经由透镜内腔上曲面、透镜出射面射出；LED半光强角剩余20度的光线，经第一透镜内腔侧面和第二透镜内腔侧面，射向第一反射面、第二反射面时发生全反射，最后经由透镜出射面射出折射射出；经上述处理，得到最终的配光曲线的C90/C270面。

Description

一种高均匀度的LED黑板灯
技术领域
本发明涉及一种灯具，尤其是涉及一种高均匀度的LED黑板灯。
背景技术
黑板灯在教学过程中必不可少，在光线不佳的条件下，黑板灯用于提供良好的视觉环境，保证教师和学生在黑板上的书写与阅读。高质量的黑板照明要保证垂直照度的合理，均匀度高，安装位置合适，并且不产生不舒适眩光。传统的黑板灯一般只是使用荧光灯管，该黑板灯距离黑板上方较近、距黑板下方较远，使得黑板灯表面由上至下的照度逐渐衰减，且黑板表面的照度平均值偏低，这就使得现有黑板灯存在照度不够、均匀度低的缺点。
发明内容
本发明主要目的是提供一种高均匀度的LED黑板灯，其具有较佳的垂直照度的均匀度。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种高均匀度的LED黑板灯，包括具有灯体外框、电源、PCB线路板和光学透镜的黑板灯主体，黑板灯主体设于黑板前上方，LED光源焊接在PCB线路板上，光学透镜安装在PCB线路板上；
1)LED配光为半光强角为120°的朗伯体，配光曲线C0/C180面记为平行于黑板面，配光曲线C90/C270面记为垂直于黑板面；
2)光学透镜包括透镜内腔上曲面、透镜出射面，透镜出射面为以LED发光面中心为原点的圆弧面；设定透镜内腔上曲面与LED发光面的最小距离，根据如下两式求得透镜内腔上曲面断面的轮廓线：
式中：表示从LED发光的光线的光强大小，dΩ表示光线与中心光线共同围成的立体角微元；E(p)表示光线所到达黑板面的P点所接受的光能，ds为P点与目标中心所围成的面积微元；
式中：n0ni分别为入射介质和折射介质的折射率；n0＝1，ni＝1.49；分别为出射光线矢量、入射光线矢量及法矢；
3)LED半光强角为120度，其中100度的光线经由透镜内腔上曲面、透镜出射面射出，并以此确定内腔上曲面断面轮廓线的两端端点，两端点外侧分别设置锥形凸起；两锥形凸起邻近内腔上曲面一侧的表面为第一透镜内腔侧面和第二透镜内腔侧面，远离内腔上曲面一侧的表面为第一反射面和第二反射面，LED半光强角剩余20度的光线，经第一透镜内腔侧面和第二透镜内腔侧面，射向第一反射面、第二反射面时发生全反射，最后经由透镜出射面射出折射射出；
光线经过上述处理，得到最终的配光曲线的C90/C270面。
通过上述技术方案，本发明实现偏光聚光为一体的出光效果，尤其是具有良好的垂直照度的均匀度。
附图说明
附图1是本发明的轴测图。
附图2是本发明的一种结构示意图。
附图3是本发明所用LED配光为半光强角为120°的朗伯体配光曲线图。
附图4是中小学标准教室的黑板侧向布灯示意图。
附图5是黑板正向布灯示意图。
附图6是光学透镜的截面图。
附图7是光学透镜的轴测图。
附图8是光路示意图.
附图9是整灯配光曲线图。
其中：1、灯体外框；2、右端盖；3、电源；4、PCB线路板；5、光学透镜；6、透明PS板；7、左端盖；8、透镜内腔上曲面；9、第一透镜内腔侧面；10、第一反射面；11、第二透镜内腔侧面；12、第二反射面；13、透镜出射面；14、LED发光面；15、黑板；16、黑板灯主体。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本发明一种高均匀度的LED黑板灯，如图1、图2所示，包括具有灯体外框1、电源3、PCB线路板4和光学透镜5的黑板灯主体16，黑板灯主体16设于黑板15前上方；LED光源焊接在PCB板上，可以根据实际照度的需求，灵活选择LED光源的数目。光学透镜5安装在PCB线路板4上。
采用如下方法确定LED配光曲线和光学透镜5用于光处理部分的截面轮廓线。
1)LED配光为半光强角为120°的朗伯体，配光曲线C0/C180面记为平行于黑板面，配光曲线C90/C270面记为垂直于黑板面；
2)光学透镜5包括透镜内腔上曲面8、透镜出射面13，透镜出射面13为以LED发光面14中心为原点的圆弧面；设定透镜内腔上曲面8与LED发光面14的最小距离，根据如下两式求得透镜内腔上曲面8断面的轮廓线：
式中：表示从LED发光的光线的光强大小，dΩ表示光线与中心光线共同围成的立体角微元；E(p)表示光线所到达黑板面的P点所接受的光能，ds为P点与目标中心所围成的面积微元；
式中：n0ni分别为入射介质和折射介质的折射率；n0＝1，ni＝1.49；分别为出射光线矢量、入射光线矢量及法矢；
3)LED半光强角为120度，其中100度的光线经由透镜内腔上曲面8、透镜出射面13射出，并以此确定内腔上曲面8断面轮廓线的两端点，两端点外侧分别设置锥形凸起；两锥形凸起邻近内腔上曲面8一侧的表面为第一透镜内腔侧面9和第二透镜内腔侧面11，远离内腔上曲面8一侧的表面为第一反射面10和第二反射面12，LED半光强角剩余20度的光线，经第一透镜内腔侧面9和第二透镜内腔侧面11，射向第一反射面10、第二反射面12时发生全反射，最后经由透镜出射面13折射射出；
光线经过上述处理，同时得到最终的配光曲线的C90/C270面。
配光曲线C90/270面最大光强的光线应射向黑板15的下缘，即满足θ1≥Arctan(L/(H-1))；配光曲线C90/270面最小光强的光线应射向黑板(15)的上缘，即满足θ2≥Arctan(L/(H-1.4-1))；配光曲线C0/C180面光强角满足θ3≥2*Arctan(0.7*L/3)。
LED光源位于光学透镜内腔中心位置。
光学透镜5出光侧的灯体外框1设透明PS板6。透明PS板，一方面起到封闭光源腔、防尘的作用。另一方面，光学透镜5射出的光经过透明PS板后的光线比不加装透明PS板的光线，人眼看到的光斑是一个矩形而不是一条亮线，人眼感觉更加柔和。
为更清楚的说明本发明的机理，进一步举例说明如下：本发明原理在于，LED等间距均匀排列于PCB线路板上，LED发光配光为半光强角为120°的朗伯体，见图3。由于黑板灯的被照面黑板为长方形，且黑板灯安装在黑板宽的上缘，要实现黑板面垂直照度均匀度达到0.8，必须对120°郎伯体的LED进行二次光学设计。将黑板灯配光曲线C0/C180面记为平行于黑板面，配光曲线C90/C270面记为垂直于黑板面。图4为我国标准教室布置图，图中L为黑板灯距黑板面的水平距离、H为黑板灯距离地面的高度、黑板宽度为1.4m、黑板长度为4m、板下缘距地面为1m、布3个长为1.2米的黑板灯。布灯图见图5，中间灯的几何中心与黑板几何中心重合，三灯几何中心间距为d。为使黑板灯照射的光线能够覆盖黑板宽的方向，且满足黑板面垂直照度均匀度，黑板灯配光曲线C90/270面最大光强的光线应射向黑板的下缘，即满足θ1≥Arctan(L/(H-1))。黑板灯配光曲线C90/270面最小光强的光线应射向黑板的上缘，即满足θ2≥Arctan(L/(H-1.4-1))。为使黑板灯照射的光线能够覆盖黑板长的方向，黑板灯配光曲线C0/C180面光强角需满足θ3≥2*Arctan(0.7*L/3)。
假设黑板灯所有光线均照射到黑板面上，黑板灯LED总光通量为Φ1，照射到黑板面上的光通量Φ2，考虑到透镜材料的光学损失约为0.9。可得出0.9*Φ1＝Φ2，那么他们之间应满足下式所描述的对应关系：
表示从LED发光的某条光线的光强大小，dΩ表示光线与中心光线共同围成的立体角微元；E(p)表示光线所到达黑板面的P点所接受的光能，ds为p与目标中心所围成的面积微元。
LED发射的光线经过光学透镜5满足斯涅耳定律，式(2)为斯涅耳定律：
n0ni分别为入射介质和折射介质的折射率，这里n0＝1，ni＝1.49。分别为出射光线矢量、入射光线矢量及法矢。
在本实例中，令LED中心位置位于光学透镜5的内腔中心位置,令光学透镜5的高度为h1，透镜内腔凸起部分距LED发光面14距离为h，光学透镜5端面的长度为D，见图5。h1取0.01m，h取0.005m，D取0.02m，L取0.6m，H取3m，d取1.3m，。联立式(1)和式(2)得出自由光学透镜5的透镜内腔上曲面8的轮廓线；光学透镜5具有第一反射面10、第二反射面12，均为全反射面，透镜出射面13为以LED发光面14的中心为原点，半径为0.015m的圆弧面。径向拉伸，拉伸为长度1.19m，得到光学透镜5的实体，见图7。
结合图8的光路，LED半光强角为120度，其中100度的光线经由透镜内腔上曲面8、透镜出射面13射出，LED半光强角剩余20度的光线，经第一透镜内腔侧面9和第二透镜内腔侧面11，射向第一反射面10、第二反射面12时发生全反射，最后经由透镜出射面13折射射出。光线经过上述处理，得到最终的配光曲线为图9的C90/C270面。
图9最终配光曲线C0/C90面与LED自身的配光曲线图3类似，是因为光学透镜5由图6所示的截面拉伸而成，这部分光线无进行二次光学设计。
将图9配光曲线的IES文件导入Dialux文件，条件设置与图4、图5一致，得到黑板面垂直照度均匀度为0.83。用黑板灯进行实测，黑板面垂直照度均匀度为0.82。
本发明LED黑板灯主体长度为12000mm，且可根据实际情况改变其长度及安装的数量，覆盖黑板上下边缘区域范围1000mm-1400mm，黑板左右边缘区域范围大于1000mm。

Claims (5)

1.一种高均匀度的LED黑板灯，包括具有灯体外框(1)、电源(3)、PCB线路板(4)和光学透镜(5)的黑板灯主体(16)，黑板灯主体(16)设于黑板(15)前上方，LED光源焊接在PCB线路板(4)上，光学透镜(5)安装在PCB线路板(4)上；其特征在于：
1)LED配光为半光强角为120°的朗伯体，配光曲线C0/C180面记为平行于黑板面，配光曲线C90/C270面记为垂直于黑板面；
2)光学透镜(5)包括透镜内腔上曲面(8)、透镜出射面(13)，透镜出射面(13)为以LED发光面(14)中心为原点的圆弧面；设定透镜内腔上曲面(8)与LED发光面(14)的最小距离，根据如下两式求得透镜内腔上曲面(8)断面的轮廓线：
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式中：表示从LED发光的光线的光强大小，dΩ表示光线与中心光线共同围成的立体角微元；E(p)表示光线所到达黑板面的P点所接受的光能，ds为P点与目标中心所围成的面积微元；
<mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mover> <mi>o</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>n</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>n</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mover> <mi>o</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <mover> <mi>N</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mn>...</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：n0ni分别为入射介质和折射介质的折射率；n0＝1，ni＝1.49；分别为出射光线矢量、入射光线矢量及法矢；
3)LED半光强角为120度，其中100度的光线经由透镜内腔上曲面(8)、透镜出射面(13)射出，并以此确定内腔上曲面(8)断面轮廓线的两端端点，两端点外侧分别设置锥形凸起；两锥形凸起邻近内腔上曲面(8)一侧的表面为第一透镜内腔侧面(9)和第二透镜内腔侧面(11)，远离内腔上曲面(8)一侧的表面为第一反射面(10)和第二反射面(12)，LED半光强角剩余20度的光线，经第一透镜内腔侧面9和第二透镜内腔侧面(11)，射向第一反射面(10)、第二反射面(12)时发生全反射，最后经由透镜出射面(13)折射射出；
光线经过上述处理，得到最终的配光曲线的C90/C270面。
2.根据权利要求1所述的一种高均匀度的LED黑板灯，其特征在于：配光曲线C90/270面最大光强的光线应射向黑板(15)的下缘，即满足θ1≥Arctan(L/(H-1))；配光曲线C90/270面最小光强的光线应射向黑板(15)的上缘，即满足θ2≥Arctan(L/(H-1.4-1))；配光曲线C0/C180面光强角满足θ3≥2*Arctan(0.7*L/3)。
3.根据权利要求1所述的一种高均匀度的LED黑板灯，其特征在于：所述LED光源位于光学透镜内腔中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种高均匀度的LED黑板灯，其特征在于：所述第一反射面(10)和第二反射面(12)为磨砂面，材质为高透光率的PMMA。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种高均匀度的LED黑板灯，其特征在于：所述光学透镜(5)出光侧的灯体外框(1)设透明PS板(6)。
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