CN108302380B - 一种透镜式led黑板灯 - Google Patents

Abstract

本发明属于照明技术领域，具体为一种透镜式LED黑板灯。其结构包括灯壳、LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、塑料面罩；其中，LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、塑料面罩组成光学模组，放置固定于灯壳内部的凹槽内；光学透镜呈长条状，由入射面、出光面和两个不同的侧面内全反射面构成；本发明针对黑板与灯具的位置特点，通过光学透镜对LED进行二次配光设计，透镜采用多自由曲面透镜形式，通过折射以及内全反射的方式将LED光源发出的能量全部收集，重新分布然到投射到黑板面上，实现聚光和偏光的照明效果，极大提高光能的利用率，同时保持黑板面上较高的均匀度。该黑板灯结构简单，具有较高的实用性。

Description

一种透镜式LED黑板灯

技术领域

本发明属于照明技术领域，具体涉及一种LED黑板灯。

背景技术

黑板是平常教学活动和展示活动中最常用的道具。黑板本身不发出光，需要反射环境和灯具发出的光然后被人眼感知。黑板的应用环境多样，当环境光线不佳的情况下，就需要用黑板灯进行补偿。所以黑板灯的光学设计直接影响黑板的均匀性，继而影响人眼的观察。

传统的黑板灯使用的荧光灯作为照明方式，其照明有着效率低，黑板照度不均匀，黑板下半部分照度明显偏低、眩光严重、含有汞等缺点，目前正在逐步淘汰过程中。LED作为固态照明光源逐渐占据大部分照明市场，并且相比与荧光灯有着巨大的优势。使用LED光源的黑板灯相比于荧光灯管有巨大光学设计空间，目前主要反射式和透镜式。反射式相对而言结构巨大，整体对反射面加工要求高，整体光学效率低等缺点。CN200710049769公开了一种双反射器的黑板灯，整个灯体包括两只荧光灯和两个抛物面反射器，光源的照射角度不同，两个反射器分别与黑板呈一定角度，负责照明黑板的不同区域。透镜式黑板灯的光学方案不是很成熟，多以洗墙灯的形式出现，不满足黑板照明的特殊情况，采用透镜实现二次光学设计有着巨大的设计改进空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均匀性好、眩光低、能效高、结构紧凑的透镜式LED黑板灯。

本发明设计的透镜式LED黑板灯，针对黑板与灯具的位置特点，通过光学透镜对LED灯珠阵列进行二次配光设计，所述光学透镜采用多自由曲面的透镜形式，通过折射、全反射的方式将LED灯珠阵列发出的光线通过光学系统全部收集并进行重新分布，投射到黑板面上，实现聚光和偏光的照明效果，极大提高光能的利用率，同时保持黑板面上较高的均匀度。

本发明设计的透镜式LED黑板灯，其结构包括灯壳、LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、塑料面罩；其中，LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、塑料面罩组成LED黑板灯的光学模组，灯壳内部设有凹槽，用于放置固定所述光学模组。

所述光学模组中，LED灯珠焊接在PCB电路板上，呈阵列分布；光学透镜安装在LED灯珠阵列上方，LED灯珠位于光学透镜的几何中心下方；塑料面罩安装在灯壳的开口处，用于封闭整个光学系统。

所述的透镜式LED黑板灯中，所述LED灯珠阵列及PCB电路板构成LED光源板模块，LED 灯珠阵列(即有多颗LED灯珠)沿光源板模块长度方向以相同间距排布(即线性均匀排列)，所述间距可以随着不同的应用场景需求进行调节。线性均匀排列有助于黑板灯照明在黑板上的横向均匀度，也可避免人眼直接观察灯具而产生炫目感。该LED光源板模块相对于黑板面成倾斜放置，并且稍微朝向黑板下方，使黑板下半部分获得更多的能量，可以适当降低光学设计的难度。

所述的透镜式LED黑板灯中，所述光学透镜呈长条状，由如下几个曲面构成：入射面、出光面和两个不同的侧面内全反射面；其中，入射面包括正面入射面和侧面入射面，形成凹槽状， LED灯珠阵列位于凹槽内，LED灯珠出光面正对面正入射面；侧面入射面和出光面为基本平面，正面入射面、侧面内全反射面为自由曲面。透镜整体沿着黑板纵向方向延伸，LED灯珠阵列出射的光线受到透镜的限制，所有出射的光线都被限制在特定角度范围内，即在垂直于黑板的纵向方向上，光线最终被限制在黑板所在面，且达到一定均匀度；而在沿着黑板横向方向上，光线传递不受限制，有利于光线在黑板横向方向的扩散分布。

所述的透镜式LED黑板灯中，从LED灯珠阵列发出的光线分为三个通路，最终在黑板所在平面形成集中的高均匀分布。第一条通路是通过所述光学透镜的正面入射面实现，所述正面入射面是自由曲面，从光源出射的光线通过正面入射面直接折射至出光面，最后出射到黑板上，实现纵向方向上照度均匀，在此光通路中，光学透镜主要控制光线在黑板纵向方向的光线分布。第二、三条通路分别由两个不同的侧面内全反射面和侧面入射面实现，从LED灯珠出射的光线从一个侧面入射面折射到对应的一侧的侧面内全反射面，经过内侧全反射折射至外出光面，最后出射到黑板上，并限制了光在黑板上的纵向分布截至线，同理LED灯珠阵列通过另一个侧面入射面折射到另一个对应的侧面内全反射面，最后出射在黑板上，形成另一纵向分布截至线，从而实现在垂直黑板方向上的光线约束。这三部分光线经过外出光面投射到黑板面上，它们分别照射到黑板纵向方向的不同位置，并相互叠加，使黑板在纵向方向上照度均匀。

此外，还可以在光学透镜的出光面增加周期性的微阵列，称之为微结构，进一步增加黑板面上的照度均匀度。所述微结构，相对于整个光学面来说，是周期性排列的光学微元，最简单的微结构是通过球体截取而成，用球体的曲率半径以及突出光学面的高度来表征这个微元，通过周期性排列的参数即相同微元横向和纵向的间距来表征周期性的规律。微结构并不大范围改变出光分布，它的作用是在整个光学系统的基础作用下，使光线在原有的出光分布内更加随机分布到黑板上，在改善均匀度和色散方面具有一定的作用，也可以防止人眼直接观察灯具造成强烈的炫目感。

本发明所述的透镜式黑板灯采用自由曲面透镜实现二次光学设计。用自由曲面透镜作为光学设计的黑板灯，相比于反射形式的黑板灯，一方面可以使更多的能量更加均匀的投射的黑板面上；另一面，在不需要更多结构体前提下，依靠本身的光学部件可以有效防止眩光，结构尺寸小。与现有透镜式黑板灯相比，本发明所述LED黑板灯，结构尺寸更加简单、轻巧，通过透镜的特殊二次光学设计以及出光面的微结构设计，提高了均匀性，减少了眩光。

所述光学透镜中，其自由曲面设计采用光通映射法计算和求解偏微分方程得到。光通映射法是将不同角度出射的光，通过角度与位置确定角度与目标点的对应关系，得到自由曲面的几何参数，将光通映射法得到的几何关系通过求解偏微分方程，得到自由曲面的面型。

所述求解偏微分方程得到自由曲面的面型的过程如下：已知光通映射法θ-R的对应关系θ＝F(R)，θ为设计时光线与设计基准轴的夹角，R为该设计光线经过光学系统落在照射目标面上的位置，各个θ与R是预先进行定义和设置的。当照明效果没有达到要求时，根据模型的光线追迹查看被照射面的分布，可以明确改进方向，然后通过调整对应关系θ＝F(R)来进行设计，调整出光分布。

θ₁对应R₁，θ₂对应R₂，…等，每一条设计光线的θ-R都满足对应关系θ＝F(R)。

单个自由曲面偏微分方程法如图6所示，R是目标面上的位置，x和y是该自由曲面上要求解的点的位置，θ_in为设计光线入射角，θ_out为设计光线的最终出射角。

光线从LED上出射，经过光学透镜自由曲面上的点(x，y)折射，再经过平面的折射到达出光面上；设LED到光学透镜底部中心距离为d₀，光学透镜底部到光学透镜顶部的中心厚度为 d₁，光学透镜顶部到目标面的距离为d₂；a₁为曲面切线方向与基准轴的夹角，a₂和b₁在光路图中显示为内错角，都为经过折射后光线与基准轴的夹角，a₂＝b₁。n为光学透镜的折射率，由透镜材料决定。

从LED到目标面，R的表达式为：

R＝x tanθ_in+(d₀+d₁-x)tanb₁+d₂tanθ_out(1)

根据几何关系y与x满足：

y＝xtanθ_in(2)

对式(2)θ_in进行求导，需注意x也是关于θ_in的函数，因此式中必须考虑x对θ_in的偏导数

这样与y做相同处理，可以得到：

式中包括

与

两个未知项，所以需要进一步简化，

根据斯涅尔折射公式，光线在光学系统满足：

根据曲面倾斜角的定义，在(x,y)点满足：

又根据式(4)和式(5)，可得：

由式(3)和式(6)联立，最终得到x与θ_in的关系：

通过联立，最终得到关于x与θ_in的微分方程，求解该偏微分方程一般需要借助计算机，已知θ_in＝0和x＝d₀是方程式求解的初始解。微分方程的物理意义就在于，已知光源角度和设计者的目标照明情况即对应关系，自由曲面的唯一坐标也就唯一确定了，可以通过求解偏微分方程的方法得到自由曲面上一系列坐标点。然后对这些坐标点连成曲线，形成初始的模型进行模拟，再根据模拟结果有方向性的调节θ＝F(R)对应关系，求解得到新的模型进行模拟。与折射的偏微分方程相似，反射部分的求解也类似操作的。

附图说明

图1是本发明透镜式LED黑板灯立体分解图。

图2是本发明透镜式LED黑板灯的光路图。

图3是LED光源板图。

图4所示为黑板灯透镜设计的光通映射法的示意图。

图5为自由曲面透镜的光路图。

图6是偏微分求解自由曲面上点的原理图。

图7是LED透镜完整面型。

图中标号：10为LED光源板，20为光学透镜，30为灯壳，100为LED黑板灯，200为黑板面，21为光学透镜正面入射面，22为光学透镜侧面内全反射面，23为光学透镜侧面内全反射面，24为光学透镜外出光面。

具体实施方式

图1是本发明透镜式LED黑板灯100立体分解图，该LED光源板10设置在该灯壳30上相对黑板倾斜设置，该透镜设置在该LED光源板上。如图2所示所用透镜20采用多自由曲面透镜形式，通过折射以及内全反射的方式光源发出的能量全部收集，重新分布然到投射到黑板面200上。如图3所示通过调节光源板10上LED的排布距离D，可以增强黑板横向方向上的均匀性也可以控制出射光通量。

该透镜的自由曲面面型是通过光通映射法和偏微分方程法得到。如图4所示，光通映射法是将不同角度出射的光，通过角度与位置确定角度与目标点的对应关系。如图6所示，偏微分方程法是将光通映射法得到的几何关系通过解偏微分方程进行求解得到面型，下面是偏微分方程的理论分析：已知光通映射法θ-R的预先设置对应关系θ＝F(R)，θ₁对应R₁，θ₂对应R₂。

偏微分方程法是求解映射关系限定下的物理量，通过折射、反射公式的联立和初始条件的确定得到唯一解。但是在此黑板灯中，LED大小不能忽略，灯具相对于黑板倾斜放置，黑板的下半部分与黑板灯的距离比黑板的上半部分长，这给准确的定义映射关系带来不便，所以实际使用中需要用迭代优化的思想，通过设置优化函数进行反复计算，通过迭代优化继而得到所需面型即改变映射关系θ₁对应R₁₁，θ对应R₂₁等，R₁₁与R₁不同，R₂₁与R₂不同。

图5为黑板灯透镜的母线轮廓，从光源板10出射的光线，分别通过正入射面21折射，侧面内全反射面22和侧面内全反射面23反射，最后共同通过外出光面24出射，上述所指的自由曲面都是通过偏微分方程方法进行求解。通过各曲面的光线追迹可以看出这三部分的空间光分布是基本一致的，所以在三部分在黑板上的分布是相互交叠的，所以光斑相对三部分分离的映射关系，光斑会更加柔和并且在外出光面适当添加为解雇可以提升光学效果，最终如图7 所示。

Claims (1)

1.一种透镜式LED黑板灯，其特征在于，包括灯壳、LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、塑料面罩；其中，LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、塑料面罩组成LED黑板灯的光学模组，灯壳内部设有凹槽，所述光学模组放置固定于该凹槽内；

所述光学模组中，LED灯珠焊接在PCB电路板上，呈阵列分布；光学透镜安装在LED灯珠阵列上方，LED灯珠位于光学透镜的几何中心下方；塑料面罩安装在灯壳的开口处，用于封闭整个光学系统；

所述LED灯珠阵列及PCB电路板构成LED光源板模块，LED灯珠阵列沿光源板模块长度方向线性均匀排列；

所述光学透镜呈长条状，由如下几个曲面构成：入射面、出光面和两个不同的侧面内全反射面；其中，入射面包括正面入射面和侧面入射面，形成凹槽状，LED灯珠阵列位于凹槽内，LED灯珠出光面正对面正入射面；侧面入射面和出光面为基本平面，正面入射面、侧面内全反射面为自由曲面；光学透镜整体沿着黑板纵向方向延伸，LED灯珠阵列出射的光线受到透镜的限制，所有出射的光线都被限制在特定角度范围内，即在垂直于黑板的纵向方向上，光线最终被限制在黑板所在面，且达到一定均匀度；而在沿着黑板横向方向上，光线传递不受限制，有利于光线在黑板横向方向的扩散分布；

从LED灯珠阵列发出的光线分为三个通路，最终在黑板所在平面形成集中的高均匀分布；第一条通路是通过所述光学透镜的正面入射面实现，从光源出射的光线通过正面入射面直接折射至出光面，最后出射到黑板上，实现纵向方向上照度均匀，在此光通路中，光学透镜主要控制光线在黑板纵向方向的光线分布；第二、三条通路分别由两个不同的侧面内全反射面和侧面入射面实现，从LED灯珠出射的光线从一个侧面入射面折射到对应一侧的侧面内全反射面，经过内侧全反射折射至外出光面，最后出射到黑板上，并限制了光在黑板上的纵向分布截至线，同理LED灯珠阵列通过另一个侧面入射面折射到另一个对应的侧面内全反射面，最后出射在黑板上，形成另一纵向分布截至线，从而实现在垂直黑板方向上的光线约束；这三部分光线经过外出光面投射到黑板面上，它们分别照射到黑板纵向方向的不同位置，并相互叠加，使黑板在纵向方向上照度均匀；

在光学透镜的出光面增加周期性的微阵列，称之为微结构，进一步增加黑板面上的照度均匀度；所述微结构，相对于整个光学面来说，是周期性排列的光学微元；

所述光学透镜中，其自由曲面设计采用光通映射法计算和求解偏微分方程得到；

光通映射法是将不同角度出射的光，通过角度与位置确定角度与目标点的对应关系，得到自由曲面的几何参数，将光通映射法得到的几何关系通过求解偏微分方程，得到自由曲面的面型；

已知光通映射法θ-R，的对应关系θ＝F(R)，θ为设计时光线与设计基准轴的夹角，R为该设计光线经过光学系统落在照射目标面上的位置，各个θ与R是预先进行定义和设置的；当照明效果没有达到要求时，根据模型的光线追迹查看被照射面的分布，以明确改进方向，然后通过调整对应关系θ＝F(R)来进行设计，调整出光分布；

θ₁对应R₁，θ₂对应R₂，…等，每一条设计光线的θ-R都满足对应关系θ＝F(R)；

所述求解偏微分方程得到自由曲面面型的过程如下：

单个自由曲面偏微分方程法如下，设R是目标面上的位置，x和y是该自由曲面上要求解的点的位置，θ_in为设计光线入射角，θ_out为设计光线的最终出射角；

光线从LED上出射，经过光学透镜自由曲面上的点(x，y)折射，再经过平面的折射到达出光面上；设LED到光学透镜底部中心距离为d₀，光学透镜底部到光学透镜顶部的中心厚度为d₁，光学透镜顶部到目标面的距离为d₂；a₁为曲面切线方向与基准轴的夹角，a₂和b₁都为经过折射后光线与基准轴的夹角，a₂＝b₁；n为光学透镜的折射率，由透镜材料决定；

从LED到目标面，R的表达式为：

R＝xtanθ_in+(d₀+d₁-x)tanb₁+d₂tanθ_out (1)

根据y与x满足的几何关系，经过求导运算，以及按照斯涅尔折射公式，光线在光学系统满足的关系和曲面倾斜角的定义，x与θ_in的关系满足如下的微分方程：

偏微分方程的求解通过计算机进行，已知θ_in＝0和x＝d₀是该偏微分方程的初始解，通过求解偏微分方程，得到自由曲面上一系列坐标点；

对这些坐标点连成曲线，形成初始的模型进行模拟，再根据模拟结果有方向性的调节θ＝F(R)对应关系，求解得到新的模型进行模拟；与折射的偏微分方程相似，反射部分的求解也类似操作的。

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