CN108662496A - 一种远距离大光斑的配光方法及投射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远距离大光斑的配光方法，根据预设的照射距离和光斑大小建立投射模型，并依此确定了两个关键参数，投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β的计算方法，并以这两个关键参数为基础，设计了经光源发出后的光束的配光方案，即通过二次配光，实现了投射形状为类似圆形的大光斑，本发明还提供了一种基于上述方法的远距离大光斑的投射方法，包括LED模组光源、第一配光组件和第二配光组件，所述第一配光组件和第二配光组件均设置在光源前侧，所述第一配光组件设置在光源和第二配光组件之间，所述第一配光组件和第二配光组件的光轴中心与LED模组光源的正中心对齐。通过上述技术方案，能够实现远程的大面积照明。

Description

一种远距离大光斑的配光方法及投射装置
技术领域
本发明涉及照明领域，尤其涉及一种远距离大光斑的配光方法及投射装置。
背景技术
日常生活中经常需要照明一片区域，目前常用的是高杆灯，如图1所示，高杆灯的采用360°环形排布的灯头(1)照明，灯头(1)通常安装在15米以上的柱形灯杆(2)上，这种灯能把高杆灯周边的地面照亮，但是没有办法实现实现远程的大面积照明，在不便和不能安装灯杆的地方，如大海上，无法使用。
发明内容
鉴于目前大面积照明存在的上述不足，本发明的一个目的是提供一种远距离大光斑的配光方法，能够实现远程的大面积照明。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种远距离大光斑的配光方法，包括如下步骤：
步骤一：根据预设的照射距离和光斑大小建立投射模型，在投射模型中，将投射装置设置在高处并拟合为一个点，将光斑拟合为圆形，计算得到投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β，计算公式如下：
α＝2×arctanAB/(2×OE)
β＝arctan(OF/DF)-arctan(OF/CF)
其中，投射装置所在的位置定义为点O，投射装置在地面上的竖直投影点定义为点F，光斑距离点F最近的点定义为点D，圆形光斑距离点F最远的点定义为点C，AB为光斑外径且与点C和点D的连线CD垂直，AB和CD的交点为圆形光斑的圆心E，水平夹角ɑ为OA和OB之间的夹角，垂直夹角β为OC和OD之间的夹角；
步骤二：对投射装置中光源发出的光束进行初级配光，使光束的出射角度逐级变小，并使光束的最终出射角度θ等于垂直夹角β；
步骤三：对经过初级配光后的光束进行二级配光，使经过二级配光后的光束先聚焦再发散，并控制再发散的光束的发散角Φ等于水平夹角ɑ。
通过对投射场景的简化和拟合，确定了两个关键参数，即投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β的计算方法，并以这两个关键参数为基础，设计了经光源发出后的光束的配光方案，即通过二次配光，实现了投射形状为类似圆形的大光斑。初级配光对光源发出的光的出射角度进行调整，控制了光斑垂直方向，即CD方向的距离，二级配光仅对光的水平角度进行调整，进一步控制了光斑水平方向的宽度，使其可以严格控制在预设的光斑的直径范围内，光斑的直径可以是几十米，甚至几百米，实现了大面积照明，且由于光源的照射形式为投射，可以把灯杆设置在几百米之外，实现了远程照明。
优选的，所述远距离大光斑的配光方法还包括步骤四，所述步骤四为：计算OE与EF之间的安装夹角γ，计算公式如下：
γ＝arctan(OF/OE)
调整投射装置的角度，使投射装置中光源中心线与地面的夹角ψ等于安装夹角γ。
在安装投射装置的过程中，投射装置中光源中心线与地面的夹角ψ等于安装夹角γ，可以快速且准确的完成投射装置的角度调试。
优选的，所述步骤二中初级配光通过透镜、透镜与透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合完成，初级配光过程中，经光源发出的光往往需要经过多次调整，使光的出射角度逐级变小，特别是在投射距离比较远时，垂直角度β的值往往非常小，这就要求经初级配光后的光线为准直光线，此时可以用透镜与菲涅尔透镜的组合完成初级配光。
优选的，所述步骤三中的二级配光通过线性菲涅尔透镜或者柱面镜完成，二级配光使光线先聚焦成一条亮线再发散，在此过程中，可以完成对光线水平角度的调整，对于大尺寸的光束而言，线性菲涅尔透镜的材料成本和加工成本优于传统的玻璃柱面镜。
本发明的另一个目的是提供一种远距离大光斑的投射装置，能够实现远程的大面积照明。
一种远距离大光斑的投射装置，包括LED模组光源、第一配光组件和第二配光组件，所述第一配光组件和第二配光组件均设置在光源前侧，所述第一配光组件设置在光源和第二配光组件之间，所述第一配光组件和第二配光组件的光轴中心与LED模组光源的正中心对齐，LED模组光源是将一定数量的发光二极管按规则排列在一起再封装起来的光源，通过调整发光二极管的数量和排列次序，可以对LED模组光源的功率和光密度进行调整，而LED模组光源的功率和光密度需要根据投射装置的具体使用环境做出适应性的调整，如在照明亮度要求比较高的情况下，可以适当调高LED模组光源的功率和光密度，第一配光组件用来对LED模组光源发出来的光进行初级配光，使初级配光完成后的光的出射角度θ与垂直角度β相等，进而完成光斑垂直方向，即CD方向的距离的调整，二级配光组件用来对经过初级配光后的光进行二级配光，使光先聚焦成一条亮线后再发散，且发散的角度Φ与水平夹角ɑ相一致，完成光斑的水平方向，即AB方向的距离的调整。
优选的，所述第一配光组件为透镜、透镜和透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合，第一配光组件所包含的光学器件可以根据垂直夹角β的大小进行组合，当垂直夹角β的角度较小时，可以选用菲涅尔透镜，菲涅尔透镜具有呈环状排列的等距的齿纹，可以很好的压缩光束的出射角度，且成本低，透镜、透镜和透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合中各具体光学原件的选择和具体的设置方式，可以根据光学元件焦距、厚度、光源的距离、折射率、和光源的面积等参数，结合相应的光学的计算方法做出最优化的调整。
优选的，所述第二配光组件为线性菲涅尔透镜或者柱面镜，线性菲涅尔透镜具有平行排列的等距齿纹，线性菲涅尔透镜或者柱面镜均可以实现将光束先聚焦成一条亮线再发散的技术效果，且通过对菲涅尔透镜或者柱面镜的通光孔径和焦距的调整，可以实现对聚焦后发散的光束的角度的调整。
优选的，还包括壳体和散热装置，所述壳体前侧设有透光孔，后侧设有散热孔，壳体的前侧与后侧之间形成容纳腔，所述散热装置设置在壳体的后侧外壁且覆设在散热孔上，所述LED模组光源设置在散热装置上，所述第一配光组件和第二配光组件设置在容纳腔中，壳体为LED模组光源、第一配光组件和二级配光组件的安装提供支撑，散热装置用来散热，将LED模组光源在运行过程中产生的热量散发，可以保证LED模组光源长时间稳定运行。
优选的，所述散热装置为热沉类散热装置，热沉的温度不随传递到它的热能的大小变化，可以持续稳定的使LED模组光源散热，更优选的，所述热沉类散热装置设置为金属片或者金属块，例如，铁块或者铜块。
优选的，所述LED模组光源与散热装置之间涂覆有导热硅脂层，加快LED模组光源与散热装置之间的热量传递，加强散热效果。
本发明实施的优点：本发明提供了一种远距离大光斑的配光方法，根据预设的照射距离和光斑大小建立投射模型，并依此确定了两个关键参数，投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β的计算方法，并以这两个关键参数为基础，设计了经光源发出后的光束的配光方案，即通过二次配光，实现了投射形状为类似圆形的大光斑，本发明还提供了一种基于上述方法的远距离大光斑的投射方法，包括LED模组光源、第一配光组件和第二配光组件，所述第一配光组件和第二配光组件均设置在光源前侧，所述第一配光组件设置在光源和第二配光组件之间，所述第一配光组件和第二配光组件的光轴中心与LED模组光源的正中心对齐，通过上述技术方案，能够实现远程的大面积照明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明背景技术所述的高杆灯的结构示意图；
图2为本发明实施例1所述的一种远距离大光斑的配光方法的步骤S1投射模型；
图3为本发明实施例1所述的一种远距离大光斑的配光方法的步骤S2和步骤S3中的光路示意图；
图4为本发明实施例2本发明所述的一种远距离大光斑的投射装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2和图3所示，一种远距离大光斑的配光方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据预设的照射距离和光斑大小建立投射模型，在投射模型中，将投射装置设置在高处并拟合为一个点，将光斑拟合为圆形，计算得到投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β，计算公式如下：
α＝2×arctanAB/(2×OE)
β＝arctan(OF/DF)-arctan(OF/CF)
其中，投射装置所在的位置定义为点O，投射装置在地面上的竖直投影点定义为点F，OF之间的距离为12m，光斑距离点F最近的点定义为点D，圆形光斑距离点F最远的点定义为点C，AB为光斑外径且与点C和点D的连线CD垂直，AB和CD的交点为圆形光斑的圆心E，EF之间的距离为100m,光斑的直径AB和CD设置为30m，连接OA、OB、OC和OD，水平夹角ɑ为OA和OB之间的夹角，垂直夹角β为OC和OD之间的夹角，由于OF与EF是垂直的关系，根据上述公式，可以得出水平夹角ɑ为16.9°，垂直夹角β为2°；
步骤S2：对投射装置中光源发出的光束进行初级配光，使光束的出射角度逐级变小，并使光束的最终出射角度θ等于垂直夹角β，即使出射角度θ等于2°，形成准直光，此步骤可以通过透镜、透镜与透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合完成，初级配光过程中，经光源发出的光往往需要经过多次调整，使光的出射角度逐级变小。
步骤S3：对经过初级配光后的光进行二级配光，使经过二级配光后光先聚焦再发散，并控制再发散的光的发散角Φ等于水平夹角ɑ，即使光的发散角Φ等于16.9°，此步骤可以通过线性菲涅尔透镜或者柱面镜完成。
通过对投射场景的简化和拟合，确定了两个关键参数，即投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β的计算方法，并以这两个关键参数为基础，设计了经光源发出后的光束的配光方案，即通过二次配光，完成了投射形状为类似圆形的大光斑。初级配光对光源发出的光束的出射角度进行调整，控制了光斑垂直方向，即CD方向的距离，二级配光仅对光束的水平角度进行调整，控制了光斑水平方向的宽度，使其保持在预设的光斑的直径范围内。
所述远距离大光斑的配光方法还包括步骤S4，所述步骤四为：计算OE与EF之间的安装夹角γ，计算公式如下：
γ＝arctan(OF/OE)
最后算的安装夹角γ为6.85°，调整投射装置的角度，使投射装置中光源中心线与地面的夹角ψ等于安装夹角γ，即使投射装置中光源中心线与地面的夹角ψ等于6.85°。
在安装投射装置的过程中，投射装置中光源中心线与地面的夹角ψ等于安装夹角γ，可以快速且准确的完成投射装置的角度调试。
实施例2
如图2、图3和图4所示，一种基于实施例1中的投射模型的远距离大光斑的投射装置，包括LED模组光源1、第一配光组件2和第二配光组件3，所述第一配光组件2和第二配光组件3均设置在光源前侧，所述第一配光组件2设置在光源和第二配光组件3之间，所述第一配光组件和第二配光组件3的光轴中心与LED模组光源1的正中心对齐，LED模组光源1是将一定数量的发光二极管按规则排列在一起再封装起来的光源，通过调整发光二极管的数量和排列次序，可以对LED模组光源1的功率和光密度进行调整，而LED模组光源1的功率和光密度需要根据投射装置的具体使用环境做出适应性的调整，如在照明要求比较高的情况下，可以适当调高LED模组光源1的功率和光密度，第一配光组件用来对LED模组光源1发出来的光进行初级配光，使初级配光完成后的光束的出射角度与垂直角度β相等，进而完成光斑垂直方向，即CD方向的距离的调整，二级配光组件用来对经过初级配光后的光束进行二级配光，使光先聚焦成一条亮线后再发散，且发散的角度与水平夹角ɑ相一致，完成光斑的水平方向，即AB方向的距离的调整。
所述第一配光组件2为透镜、透镜和透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合，第一配光组件2所包含的光学器件可以根据垂直夹角β的大小进行组合，例如，当垂直夹角β的角度较大时，可以选用非球面透镜，使非球面透镜的平整面朝向光源，使非球面透镜的曲面作为光束的出射面，当垂直夹角β的角度较小时，可以选用透镜和菲涅尔透镜，菲涅尔透镜具有呈环状排列的等距的齿纹，可以很好的压缩光束的出射角度，且成本低，透镜、透镜和透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合中各具体光学原件的选择和具体的设置方式，可以根据光学元件焦距、厚度、光源的距离、折射率、和光源的面积等参数，结合相应的光学的计算方法做出最优化的调整。
所述第二配光组件3为线性菲涅尔透镜或者柱面镜，线性菲涅尔透镜具有平行排列的等距齿纹，线性菲涅尔透镜或者柱面镜均可以实现将光束先聚焦成一条亮线再发散的技术效果，且通过对菲涅尔透镜或者柱面镜的通光孔径和焦距的调整，可以实现对聚焦后发散的光束的角度的调整，具体的选用可以根据对精度的要求和光束的面积大小做出调整，例如，在光束的面积较大时，采用线性菲涅尔透镜可以降低成本。
所述远距离大光斑的投射装置还包括壳体4和散热装置5，所述壳体4前侧设有透光孔，后侧设有散热孔，壳体4的前侧与后侧之间形成容纳腔，所述散热装置5设置在壳体4的后侧外壁且覆设在散热孔上，所述LED模组光源1设置在散热装置5上，所述第一配光组件和第二配光组件3设置在容纳腔中，壳体4为LED模组光源1、第一配光组件和二级配光组件的安装提供支撑，散热装置5用来散热，将LED模组光源1在运行过程中产生的热量散发，可以保证LED模组光源1长时间稳定运行。
所述散热装置5为热沉类散热装置5，热沉的温度不随传递到它的热能的大小变化，可以持续稳定的使LED模组光源1散热，更优选的，所述热沉类散热装置5设置为金属片或者金属块，例如，铁块或者铜块。
所述LED模组光源与散热装置5之间涂覆有导热硅脂层，加快LED模组光源1与散热装置5之间的热量传递，加强散热效果。
本发明实施的优点：本发明提供了一种远距离大光斑的配光方法，根据预设的照射距离和光斑大小建立投射模型，并依此确定了两个关键参数，投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β的计算方法，并以这两个关键参数为基础，设计了经光源发出后的光束的配光方案，即通过二次配光，实现了投射形状为类似圆形的大光斑，本发明还提供了一种基于上述方法的远距离大光斑的投射方法，包括LED模组光源、第一配光组件和第二配光组件，所述第一配光组件和第二配光组件均设置在光源前侧，所述第一配光组件设置在光源和第二配光组件之间，所述第一配光组件和第二配光组件的光轴中心与LED模组光源的正中心对齐，通过上述技术方案，能够实现远程的大面积照明。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种远距离大光斑的配光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据预设的照射距离和光斑大小建立投射模型，在投射模型中，将投射装置设置在高处并拟合为一个点，将光斑拟合为圆形，计算得到投射装置与光斑之间的水平夹角ɑ和垂直夹角β，计算公式如下：
α＝2×arctanAB/(2×OE)
β＝arctan(OF/DF)-arctan(OF/CF)
其中，投射装置所在的位置定义为点O，投射装置在地面上的竖直投影点定义为点F，光斑距离点F最近的点定义为点D，圆形光斑距离点F最远的点定义为点C，AB为光斑外径且与点C和点D的连线CD垂直，AB和CD的交点为圆形光斑的圆心E，水平夹角ɑ为OA和OB之间的夹角，垂直夹角β为OC和OD之间的夹角；
步骤二：对投射装置中光源发出的光束进行初级配光，使光束的出射角度逐级变小，并使光束的最终出射角度θ等于垂直夹角β；
步骤三：对经过初级配光后的光束进行二级配光，使经过二级配光后的光束先聚焦再发散，并控制再发散的光束的发散角Φ等于水平夹角ɑ。
2.根据权利要求1所述的远距离大光斑的配光方法，其特征在于，还包括步骤四，所述步骤四为：计算OE与EF之间的安装夹角γ，计算公式如下：
γ＝arctan(OF/OE)
调整投射装置的角度，使投射装置中光源中心线与地面的夹角ψ等于安装夹角γ。
3.根据权利要求1所述的远距离大光斑的配光方法，其特征在于，所述步骤二中初级配光通过透镜、透镜与透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合完成。
4.根据权利要求1所述的远距离大光斑的配光方法，其特征在于，所述步骤三中的二级配光通过线性菲涅尔透镜或者柱面镜完成。
5.一种远距离大光斑的投射装置，包括LED模组光源，其特征在于，还包括第一配光组件和第二配光组件，所述第一配光组件和第二配光组件均设置在光源前侧，所述第一配光组件设置在光源和第二配光组件之间，所述第一配光组件和第二配光组件的光轴中心与LED模组光源的正中心对齐。
6.根据权利要求5所述的远距离大光斑的投射装置，其特征在于，所述第一配光组件为透镜、透镜和透镜的组合或者透镜与菲涅尔透镜的组合。
7.根据权利要求5所述的远距离大光斑的投射装置，其特征在于，所述第二配光组件为线性菲涅尔透镜或者柱面镜。
8.根据权利要求5所述的远距离大光斑的投射装置，其特征在于，还包括壳体和散热装置，所述壳体前侧设有透光孔，后侧设有散热孔，壳体的前侧与后侧之间形成容纳腔，所述散热装置设置在壳体的后侧外壁且覆设在散热孔上，所述LED模组光源设置在散热装置上，所述第一配光组件和第二配光组件设置在容纳腔中。
9.根据权利要求8所述的远距离大光斑的投射装置，其特征在于，所述散热装置为热沉类散热装置。
10.根据权利要求8所述的远距离大光斑的投射装置，其特征在于，所述LED模组光源与散热装置之间涂覆有导热硅脂层。
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