CN108758563B - 光控制元件及光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光控制元件，由透明材料制成，所述光控制元件包括透光部与反光部，所述透光部包括内曲面、外曲面以及连接内曲面与外曲面的底平面；所述反光部包括反光曲面、内平面和顶平面，所述反光曲面连接内平面和顶平面；所述内平面和内曲面连接并形成凹空间，外曲面与顶平面连接，所述反光曲面由三次曲线延展形成。本发明还提供了使用光控制元件的光源装置。

Description

光控制元件及光源装置

技术领域

本发明涉及照明技术领域，具体而言，涉及一种光控制元件。

背景技术

自从白炽灯商用以来，照明技术极大的方便了人们的生活，随着能源消耗，技术一直向着节能的方向发展，白炽灯之后相继有冷阴极灯管、LED，这些都是突破性的技术发展；然而对于日常生活中，普通室内外照明应用情形各不相同，可以根据应用场景采取节能措施：例如，日常室内照明需要点亮较大空间，因此是全角度的照明，但对于书房台灯来讲，因实际使用人仅在灯的一侧，相对一侧的并不需要照明，若依然采用普通全角度照明则造成浪费，因此可以考虑对光源的光进行重新分配，使其朝向一侧发光，进而增加光的利用率，实现节能效果。同样的，对于设置在路边的路灯来讲，仅需要照亮道路一侧，另一侧则无需点亮，若可以将发光源的光朝向一侧照明，同样可节省能源；类似的还有壁灯等情形，均可采取类似手段实现节能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光控制元件，所述光控制元件用于调制光源所发出的光的分布，提高光的利用率。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光控制元件，所述光控制元件由透明材料制成，包括透光部与反光部，所述透光部包括内曲面、外曲面以及连接内曲面与外曲面的底平面；所述反光部包括反光曲面、内平面和顶平面，所述反光曲面连接内平面和顶平面；所述内平面和内曲面连接并形成凹空间，外曲面与顶平面连接，所述反光曲面由三次曲线延展形成。

进一步地，所述内平面与所述内曲面所形成的凹空间为1/4球。

进一步地，所述外曲面包括两凸部曲面和连接两凸部曲面的凹部曲面。

进一步地，所述两凸部曲面和凹部曲面关于凹部曲面中截面镜像对称。

进一步地，所述三次曲线由如下表达式描述：y＝ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，且3ac-b^2>0。

进一步地，所述反光部在三次曲线y＝ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，曲线截面的宽度为w，高度为h，且1.8<h/w<2，曲线末端斜率k满足3<|k|<4.8。

进一步地，所述反光曲面由三次曲线沿垂直于三次曲线所在平面的直线延展形成。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了光源装置，包括至少一个发光元件，至少一个如上所述的光控制元件，所述发光元件设置于所述光控制元件的凹空间内。

进一步地，所述至少一个发光元件与至少一个光控制元件为一个，或多个发光元件与多个光控制元件排列成线，或多个发光元件与多个光控制元件排列成面。

进一步地，所述反光曲面由三次曲线沿垂直于三次曲线所在平面的直线延展形成。

本发明提供的上述光控制元件，将光源发出的光朝向一侧面调制，对于仅需要照明一侧的光源来讲可以大大提高光的利用率，实现节能减排的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a示出了根据本发明一种实施方式中的光控制元件的结构示意图；

图1b-1d示出了根据图1a中光控制元件不同方向的截面图；

图2a示出了根据本发明光控制元件的立体光分布模拟图；

图2b示出了根据图2a光控制元件的立体光分布模拟图中的光强度分布图；

图2c示出了根据图2a光控制元件的立体光分布模拟图中的竖直面的光分布图；

图2d示出了根据图2a光控制元件的立体光分布模拟图中的水平面的光分布图；

图3a示出了根据本发明另一实施例光控制元件的立体光分布模拟图；

图3b示出了根据图3a光控制元件的立体光分布模拟图中的光强度分布图；

图3c示出了根据图3a光控制元件的立体光分布模拟图中的竖直面的光分布图；

图3d示出了根据图3a光控制元件的立体光分布模拟图中的水平面的光分布图；

图4a示出了根据本发明另一实施例中光控制元件的立体光分布模拟图；

图4b示出了根据图4a光控制元件的立体光分布模拟图中的光强度分布图；

图4c示出了根据图4a光控制元件的立体光分布模拟图中的竖直面的光分布图；

图4d示出了根据图4a光控制元件的立体光分布模拟图中的水平面的光分布图；

图5示出了根据本发明另一种实施方式中的条状光控制元件的结构示意图；

图6示出了根据本发明另一种实施方式中的面状光控制元件的结构示意图；

图7示出了根据本发明面状光控制元件应用至路灯时路面光照度测试结果图；

图8示出了根据本发明面状光控制元件应用至路灯时平面照度图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10光控制元件、20发光元件、100透光部、200反光部、300电路板、101内曲面、102外曲面、103底平面、1021凸部曲面、1022凹部曲面、123凹空间、反光曲面(三次曲线)201、内平面202、顶平面203、10'条状光控制元件、10”面状光控制元件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中的照明装置仍可根据应用场合通过采用特定光控制元件来提高光的利用率，为实现节能减排的目的。

本发明提供的光控制元件中，通过对光控制元件的表面进行设计，使发光元件射向非使用方向的一部分光反射至使用区域，朝向特定方向出射，提高光的利用率，从而达到较佳的节能减排效果。

请参考图1a-1d，所示为本发明光控制元件的一般实施例结构示意图，为了叙述方便，图中一并显示了发光元件。请参考图1a，为光源装置的立体视图，光控制元件10包括透光部100和反光部200，透光部100外表面为连续曲面，图中线条仅为表现其曲面弯曲方向。图1b为根据图1a中A-A方向截面图，图1c为根据图1a中A’-A’方向截面图，请参考图1b-1c，透光部100包括内曲面101，外曲面102及底平面103，底平面103连接内曲面101和外曲面102；反光部200包括反光曲面201，内平面202及顶平面203，所述内平面202与内曲面101形成凹空间123，发光元件20位于凹空间123内。图1d为图1a中B-B方向截面图，请参考图1b，透光部100的外曲面102包括两凸部曲面1021和凹部曲面1022，凸部曲面1021与凹部曲面1022关于凹部曲面1022的中截面M-M镜像对称，如图中所示，中截面M-M垂直于纸面/屏幕。

请参考图1a-1d，可将图1b-1c视为截面处的光控制元件10投影至yoz平面(图1a所述坐标系)所形成的图像，所述反光曲面201在yoz平面内投影为一曲线201(为使图中标注显示清晰，截面处曲线与反光曲面作同一标记201)，即反光曲面201是通过将曲线201沿平行于x轴的直线延展形成。所述透光部100将发光元件20所发出的一部分光经内曲面101和外曲面102的折射后均匀的导向一侧，发光元件20发出的另一部分光则经过内平面202进入反光部200，再经反光曲面201将光线向着透光部出射方向反射出去。反光曲面201即成为光控制元件10是否能实现所需分布效果的关键。发明人经过不断研究发现将所述曲线201设计为三次曲线时有较佳的效果，再将三次曲线平移即可得到反光曲面。所述三次曲线可表达为：y＝ax^3+bx^2+cx+d(虽然前述反光曲面201投影至图1a的yoz为曲线201，若在yoz平面描述则应采用yz变量；但变量的选用并不会改变曲线的样态，因此这里为符合表述习惯采用了xy变量，请勿将此处的xy变量与图1a中xoy平面混淆)，如图所示，曲线201低点从y|_x＝-b/3a开始，即曲线201低点的斜率为c，且0.9<|c|<1.2，另外关于a，b的取值则受限于实际应用中光控制元件的尺寸取值，尺寸不同导致a，b取值变化很大，但发明人在研究过程中发现，曲线201则x多次项变量系数满足3ac-b^2>0；从另一角度来看，发明人研究多条曲线201(y＝ax^3+bx^2+cx+d，0.9<|c|<1.2)形式发现，当所述曲线201宽度为w，高度为h，且1.8<h/w<2，曲线末端斜率k满足3<|k|<4.8时也满足设计要求。

图5-6为根据本发明实施例在不同应用领域中的多种形态，如图5条形透镜，应用于采用多颗点光源形成的条状光源的情形；图6为需要面照明的情形。图5-6仅为简单举例，如将本发明的光控制元件10通过重复排列形成的其他形状的光控制元件也为本发明保护范围，此处不再重复举例。

下面将通过几个实施例来说明反光曲面201的基础曲线的设计。

实施例一：

请参考图2a-2d，根据本实施例中曲线201的设计的光控制元件进行模拟的光分布情况，本实施例中曲线201的表达式为y＝0.1072x^3-0.0314x^2+1.12x-0.0288。

可以从图2a中直观的观察到模拟出的光分布效果，从图2b中可以看出，本实施例的光控制元件在水平面内具有大约150°的照明范围，在竖直平面内具有大约40°-50°的照明范围，且反射部分的在图中顶部一侧具有相对较强的亮度，图2c-2d提供了在不同方向截面的光分布效果，图2d显示了水平方向依然是相对均匀的分布，图2c显示了竖直平面光线分布效果，可以看出曲面201对光线的反射效果，本实施例中，反射的光线相对集中于图中上方。

当x取值范围为0≤x≤3，于此对应的y的范围为-0.288≤y≤5.9426，即曲线宽度w＝3，曲线高度h＝5.9714。

对y关于x进行求导，y'|_x＝3＝3.826，即曲线末端斜率k＝3.826。

实施例二：

如图3a-3d所示，根据本实施例中曲线201的设计的光控制元件进行模拟的光分布情况，本实施例中曲线201的表达式为y＝0.0072x^3-0.0055x^2+0.9994x-0.1115。

可以从图3a中直观的观察到模拟出的光分布效果，从图3b中可以看出，本实施例的光控制元件在水平面内具有大约150°的照明范围，在竖直平面内具有大约55°-65°的照明范围，且反射部分的光在图中均匀分布在透射光一侧，图3c-3d提供了在不同方向截面的光分布效果，图3d显示了水平方向依然是相对均匀的分布，图3c显示了竖直平面光线分布效果，可以看出曲面201对光线的反射效果，本实施例中，反射的光线相对均匀。

当x取值范围为0≤x≤12，于此对应的y的范围为-0.1115≤y≤23.5309，即曲线宽度w＝12，曲线高度h＝23.6424。

对y关于x进行求导，y'|_x＝12＝3.9778，即曲线末端斜率k＝3.9778。

实施例三：

如图4a-4d所示，根据本实施例中曲线201的设计的光控制元件进行模拟的光分布情况，本实施例中曲线201的表达式为y＝0.00003x^3-0.0003x^2+0.94x-1.779。

可以从图4a中直观的观察到模拟出的光分布效果，从图4b中可以看出，本实施例的光控制元件在水平面内具有大约150°的照明范围，在竖直平面内具有大约50°-60°的照明范围，且反射部分的在图中顶部与底部具有相对较强的亮度，图4c-4d提供了在不同方向截面的光分布效果，图4d显示了水平方向依然是相对均匀的分布，图4c显示了竖直平面光线分布效果，可以看出曲面201对光线的反射效果，本实施例中，反射的光线相对集中分布。

当x取值范围0≤x≤190，于此对应的y的范围为-1.779≤y≤371.761，即曲线宽度w＝190，曲线高度h＝363.54。

对y关于x进行求导，y'|_x＝190＝4.075，即曲线末端斜率k＝4.075。

从以上实施例可以看出，本发明设计的光控制元件可以将一般光源的光调整控制到一侧，提高光的利用率，在不增加光源的前提下提高亮度，并且可以通过对反射曲面的调整来实现不同的光场分布，以达到不同的使用需要。

根据本发明的一实施例，将面状光控制元件应用至实际生活中，例如壁灯。壁灯设置于墙壁上，照亮墙壁，同时可实现墙壁外侧道路面的照明。对于墙壁一侧来说，只要照亮即可，过多的光通量照向墙壁会造成浪费。对根据采用本发明面状光控制元件的壁灯的照明状况进行测试，可以得到如下的效果，路面光照度光通量分布大于85％，根据一实施例测试结果如图7，测得向下的光通量为总光通量的95.7％，其中路面光通量为84.1％，墙壁一侧为11.6％。另外根据本发明一实施例测得平面照度分布如图8，可以看出墙壁一侧有少量光，道路一侧光斑均匀分布，且大部分分布于道路一侧。根据本发明的光控制元件可以实现Type III(MEDIUM)光斑分布的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光控制元件，由透明材料制成，所述光控制元件包括透光部与反光部，所述透光部包括内曲面、外曲面以及连接内曲面与外曲面的底平面；所述反光部包括反光曲面、内平面和顶平面，所述反光曲面连接内平面和顶平面；所述内平面和内曲面连接并形成凹空间，外曲面与顶平面连接，所述反光曲面由三次曲线沿垂直于三次曲线所在平面的直线延展形成，所述三次曲线由如下表达式描述：y=ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，且3ac-b^2>0，曲线截面的宽度为w，高度为h，且1.8<h/w<2，曲线末端斜率k满足3<|k|<4.8。

2.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，所述内平面与所述内曲面所形成的凹空间为1/4球。

3.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，所述外曲面包括两凸部曲面和连接两凸部曲面的凹部曲面。

4.根据权利要求3所述的光控制元件，其特征在于，所述两凸部曲面和凹部曲面关于凹部曲面中截面镜像对称。

5.一种光源装置，包括至少一个发光元件，其特征在于，还包括至少一个如权利要求1-4任意一项所述的光控制元件，所述发光元件设置于所述光控制元件的凹空间内。

6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于，所述至少一个发光元件与至少一个光控制元件为一个，或多个发光元件与多个光控制元件排列成线，或多个发光元件与多个光控制元件排列成面。