CN111536439A - 可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法 - Google Patents

可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种灯具，尤其涉及一种可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法。本发明的目的是解决现有可实现矩形照明的灯具存在光照均匀性差的技术问题，提供一种可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法。该灯具包括驱动电源、灯板、散热片、LED发光芯片和灯罩，所述灯罩为用于调光的对称透镜；每个透镜的底部中心向内凹陷，形成光源容纳腔室并扣设在LED发光芯片上，LED发光芯片位于透射区焦平面处；所述灯罩位于LED发光芯片前、后侧的内侧面为折射面、外侧面为全反射面，位于LED发光芯片其余的部分为透射区。

Description

可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法
技术领域
本发明涉及一种灯具，尤其涉及一种可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法。
背景技术
在城市景观设计、家庭装潢设计及一些特殊试验中，常常需要用到矩形照明光源。现有的矩形照明大多通过灯带或多个灯组实现，不但整灯体积较大，而且需要考虑整体布局方式。由于矩形照明灯具本身设计难度较大，照明范围内的光照均匀性又与灯具光源的布局方式有很大关系，故难以实现较高的光照均匀性，使得有效照明范围内的光强利用率相对较低。
发明内容
本发明的目的是解决现有可实现矩形照明的灯具存在光照均匀性差的技术问题，提供一种可实现矩形均匀照明的灯具、灯具组及灯罩结构优化方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种可实现矩形均匀照明的灯具，包括驱动电源、灯板、散热片、LED发光芯片和灯罩，驱动电源连接LED发光芯片，LED发光芯片设置于灯板上，散热片贴合于灯板背面和驱动电源底部，灯罩安装在灯板上，其特殊之处在于：
所述灯罩为用于调光的对称结构的透镜；
所述灯罩底部中心向内凹陷，形成光源容纳腔室并扣设在LED发光芯片上；
所述灯罩位于LED发光芯片前、后侧的内侧面为折射面、外侧面为全反射面，所述折射面与LED发光芯片法线的夹角为3°-5°，所述全反射面与 LED发光芯片法线的夹角由以下全反射公式确定：
灯罩材料折射率×全反射面入射角的正弦值＝1；
所述灯罩除去所述前、后侧部分的透镜部分为透射区，透射区的内侧面和外侧面均为非球面结构，使得灯罩在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数，所述大角度方向为矩形照明的长度方向；
所述LED发光芯片位于所述透射区的焦平面处。
进一步地，所述LED发光芯片的数量为多个，以阵列方式排布；
多个LED发光芯片之间以串并联方式电连接，所述串并联方式为将多个 LED发光芯片分为n组，每组m个，每组内LED发光芯片(4)之间相互串联，组与组之间相互并联，m和n的值由以下电连接可靠性计算式确定：
R＝(1-(1-(1-σ)m)n)×(1-δm)
其中，
R为可靠性；
σ为单个LED发光芯片发生断路的概率；
δ为单个LED发光芯片发生短路的概率。
进一步地，为了便于航空应用，还包括盒状壳体，所述驱动电源、灯板、散热片、LED发光芯片和灯罩均封装于壳体中，所述壳体的光线出射一侧为石英材质的保护窗。
进一步地，为了便于加工安装，所述LED发光芯片为平头封装芯片，多个灯罩通过塑料模压材料一体压制成型。
进一步地，为了充分散热，所述散热片为铝板或铜板；或者所述散热片为填充有水合盐或石蜡的铝盒或铜盒。
进一步地，为了便于控制，所述驱动电源为恒压直流电源，所述灯板为铝基电路板。
进一步地，为了对灯板和驱动电源充分散热，所述散热片通过导热硅脂贴合于所述灯板背面和所述驱动电源底部。
本发明还提供一种可实现矩形均匀照明的灯具组，其特殊之处在于：包括多个串联或并联的如上述的可实现矩形照明的灯具。
本发明还提供一种可实现矩形均匀照明的灯具灯罩结构优化方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
在所述灯罩透射区外侧面的垂直和水平方向选取多个点进行高阶偶次函数拟合，然后在透射区内侧面的垂直和水平方向选取多个点进行高阶偶次函数拟合，直到灯罩在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数，所述大角度方向为矩形照明的长度方向。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明基于LED发光芯片作为照明光源，通过一个具有调光功能的灯罩配合一个LED发光芯片实现了矩形照明。灯罩作为本发明灯具的关键组成部分，采用折反混合结构，即在LED发光芯片前、后内侧面采用透镜折射方式调光，外侧面采用全反射方式聚光，在LED发光芯片透射区内外侧均采用非球面结构，实现了光线在水平和垂直方向不同角度的调制，以及良好的光照均匀性。
2、考虑到这种灯具的调光范围为矩形，其水平和垂直视场角不同，故灯罩采用对称结构。
3、采用平头封装LED发光芯片作为光源，不仅有利于减小光源体积，而且有利于减小灯罩的体积以及设计、安装难度。
4、本发明充分考虑了驱动电源、灯板和LED发光芯片这三个关键部位的散热，将散热片通过导热硅脂贴合于灯板背面和驱动电源底部，散热片可以是铝板或铜板，也可以是填充有水合盐或石蜡的铝盒或铜盒，适合在多种工况下使用。
5、驱动电源采用恒压直流电源，灯具亮度可以通过调整电流进行调节，操作方便，且使得LED发光芯片不会因高压被烧毁，当所需亮度超过整灯极限值时。
6、LED发光芯片和灯罩可以均为多个，LED发光芯片采用阵列方式排布，简化了整灯结构，减小了灯具的体积和重量，实现了大功率小型化设计，所有LED发光芯片全部布局于同一平面内，以方便灯罩的阵列排布，LED发光芯片之间的相互间隔根据实际设计的灯罩尺寸决定，为城市景观设计、家庭装潢设计和某些试验的矩形照明提供了一种小型化、便捷性的实现方式。
7、LED发光芯片采用串并联结合的电连接方式，保证了灯具使用的可靠性。
8、将包含6个LED发光芯片的灯具，以2*3方式阵列排布，并且将两个这样的灯具串联，可以实现长、宽角度比不小于15倍的矩形照明比例，以及光照均匀性不小于0.65的可见光照明，光照利用率高。
9、该灯具还包括壳体，驱动电源、灯板、散热片、一体压制成型的灯罩、多个LED发光芯片全部封装于壳体中，壳体的光线出射一侧设有石英材质的保护窗，以便于航天应用。
10、可以通过将多个灯具拼接形成灯具组的方式，实现进一步的亮度增加。
11、对灯罩透射区进行结构优化，在灯罩透射区内、外侧面垂直和水平方向均选取多个点进行高阶偶次函数拟合，顺序是先外侧面、后内侧面，以更好地保证光照均匀性，直到灯罩在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数。
附图说明
图1为本发明可实现矩形均匀照明的灯具爆炸结构示意图；
图2为本发明可实现矩形均匀照明的灯具的灯罩前后方向断面结构示意图；
图3为本发明可实现矩形均匀照明的灯具的灯罩左右方向断面结构示意图；
图4为本发明实施例中可实现矩形均匀照明的灯具矩形照明仿真图；
图5为本发明实施例中可实现矩形均匀照明的灯具灯罩配光曲线，其中，曲线a代表矩形照明大角度方向(长度方向)曲线，曲线b代表矩形照明小角度方向(宽度方向)曲线；
附图标记说明：
1-驱动电源、2-灯板、3-散热片、4-LED发光芯片、5-灯罩；
51-光源容纳腔室、52-透射区、53-折射面、54-全反射面、55-光线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
一种可实现矩形均匀照明的灯具，如图1至3所示，包括驱动电源1、灯板2、散热片3、LED发光芯片4和灯罩5，驱动电源1连接LED发光芯片4， LED发光芯片4设置于灯板2上，散热片3贴合于灯板2背面和驱动电源1底部，灯罩5安装在灯板2上，所述灯罩5为用于调光的对称结构的透镜；所述灯罩5底部中心向内凹陷，形成光源容纳腔室51并扣设在LED发光芯片4 上；所述灯罩5除去所述前、后侧部分的透镜部分为透射区52，透射区52的内侧面和外侧面均为非球面结构(也称自由曲面)，使得灯罩5在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数，所述大角度方向为矩形照明的长度方向；所述灯罩5位于LED发光芯片4前、后侧的内侧面为折射面53、外侧面为全反射面54，所述折射面53与LED发光芯片4法线的夹角为3°-5°(折射面53与LED发光芯片4所在平面呈钝角)，所述全反射面54与LED发光芯片4)法线的夹角由以下全反射公式确定：
灯罩材料折射率×全反射面入射角的正弦值＝1
所述LED发光芯片4位于所述透射区52的焦平面处,LED发光芯片4的功率在5W以上，是一种小体积、大功率的光源,在灯罩的前、后侧方向上， LED发光芯片出射的光线55依次经过折射面、全反射面后，从透射区52射出。
本发明还提供一种可实现矩形均匀照明的灯具灯罩结构优化方法，包括以下步骤：
获取调光透镜基本包络后，在所述灯罩透射区52外侧面的垂直和水平方向选取多个点进行高阶偶次函数拟合(即进行非线性拟合)优化，然后在透射区52内侧面的垂直和水平方向选取多个点进行高阶偶次函数拟合(即进行非线性拟合)优化，直到灯罩5在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数，以保证边缘光照强度，所述大角度方向为矩形照明的长度方向。
所述LED发光芯片4为平头封装芯片。散热片3通过导热硅脂分别贴合至灯板2和驱动电源1底部，散热片3有两种形式，一种为传统的直接散热方式，即铝制或者铜制类的金属散热片(如铝板或铜板)另一种为采用高热容材料(如水合盐或石蜡)填充至散热片(如铝盒或铜盒)内进行导热传输散热。所述驱动电源1为恒压直流电源，所述灯板2为铝基电路板。所述散热片3通过导热硅脂贴合于所述灯板2背面和所述驱动电源1底部。
所述LED发光芯片4和所述灯罩5可以均为多个，以实现小型化大功率矩形照明；多个LED发光芯片4之间以串并联方式电连接，所述串并联方式为将多个LED发光芯片4分为n组，每组m个，每组LED发光芯片4之间相互串联，组与组之间相互并联，m和n的值由以下电连接可靠性计算式确定：
R＝(1-(1-(1-σ)m)n)×(1-δm)
其中，
R为可靠性；
σ为单个LED发光芯片4发生断路的概率；
δ为单个LED发光芯片4发生短路的概率；
多个LED发光芯片4以阵列方式排布在灯板2上，根据实际使用要求可以选取不同色温，不同色显系数或颜色的LED发光芯片4；所述多个灯罩5通过塑料模压材料一体压制成型。还可以包括壳体，所述驱动电源1、灯板2、散热片3、灯罩5和LED发光芯片4均封装于壳体中，所述壳体的光线出射一侧为石英材质的保护窗。
本发明还提供一种可实现矩形照明的灯具组，包括多个串联或并联的上述可实现矩形照明的灯具。
实施例
驱动电源1为恒压直流电源，28V转24V供电，电流不大于2.5A，初始值设置为1.5A，可以无级调整；灯板2为铝基电路板，单面布LED发光芯片 4，另一面用于散热，通过导热硅脂与散热片3相连接；为了保证体积小巧， LED发光芯片4为3.45mm×3.45mm平头封装的高功率LED发光芯片4，5500k 色温的白光，色显系数在90以上，单个矩形照明灯具选取6个LED发光芯片 4两串三并，单颗LED发光芯片4可靠性为0.99时，断路可能性取0.009，短路可能性取0.001时，该灯具可靠性可以达到0.99999；为了保证体积小巧，实际应用中含有热控系统，故散热片3采用铝制材料内包高热容材料，主要吸热面为与驱动电源1和灯板2接触的上表面，主要散热面则为与之相对应的下表面；调光透镜为耐辐照、耐高温材料，实际加工的灯罩的透镜为3×2 阵列方式排布，配合所选的LED发光芯片4实现的照明情况如图4所示，可实现90°×6°的矩形照明，90°边缘照度(最低照度)约为中心照度(最高照度)的65％，其配光曲线如图5所示，考虑到调光透镜正对面不同角度处与 LED发光芯片4之间的距离存在余弦关系，故配光曲线在90°方向也接近余弦曲线，最终设计高度为23mm，长×宽为75mm×55mm，整灯重量约为1kg。经过航天测试，可以满足使用要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种可实现矩形均匀照明的灯具，包括驱动电源(1)、灯板(2)、散热片(3)、LED发光芯片(4)和灯罩(5)，驱动电源(1)连接LED发光芯片(4)，LED发光芯片(4)设置于灯板(2)上，散热片(3)贴合于灯板(2)背面和驱动电源(1)底部，灯罩(5)安装在灯板(2)上，其特征在于：
所述灯罩(5)为用于调光的对称结构的透镜；
所述灯罩(5)底部中心向内凹陷，形成光源容纳腔室(51)并扣设在LED发光芯片(4)上；
所述灯罩(5)位于LED发光芯片(4)前、后侧的内侧面为折射面(53)、外侧面为全反射面(54)，所述折射面(53)与LED发光芯片(4)法线的夹角为3°-5°，所述全反射面(54)与LED发光芯片(4)法线的夹角由以下全反射公式确定：
灯罩材料折射率×全反射面入射角的正弦值＝1；
所述灯罩(5)除去所述前、后侧部分的透镜部分为透射区(52)，透射区(52)的内侧面和外侧面均为非球面结构，使得灯罩(5)在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数，所述大角度方向为矩形照明的长度方向；
所述LED发光芯片(4)位于所述透射区(52)的焦平面处。
2.根据权利要求1所述的可实现矩形均匀照明的灯具，其特征在于：所述LED发光芯片(4)的数量为多个，以阵列方式排布；
多个LED发光芯片(4)之间以串并联方式电连接，所述串并联方式为将多个LED发光芯片(4)分为n组，每组m个，每组内LED发光芯片(4)之间相互串联，组与组之间相互并联，m和n的值由以下电连接可靠性计算式确定：
R＝(1-(1-(1-σ)m)n)×(1-δm)
其中，
R为可靠性；
σ为单个LED发光芯片(4)发生断路的概率；
δ为单个LED发光芯片(4)发生短路的概率。
3.根据权利要求2所述的可实现矩形均匀照明的灯具，其特征在于：还包括盒状壳体，所述驱动电源(1)、灯板(2)、散热片(3)、LED发光芯片(4)和灯罩(5)均封装于壳体中，所述壳体的光线出射一侧为石英材质的保护窗。
4.根据权利要求3所述的可实现矩形均匀照明的灯具，其特征在于：所述LED发光芯片(4)为平头封装芯片，多个灯罩(5)通过塑料模压材料一体压制成型。
5.根据权利要求4所述的可实现矩形均匀照明的灯具，其特征在于：所述散热片(3)为铝板或铜板；或者所述散热片(3)为填充有水合盐或石蜡的铝盒或铜盒。
6.根据权利要求5所述的可实现矩形均匀照明的灯具，其特征在于：所述驱动电源(1)为恒压直流电源，所述灯板(2)为铝基电路板。
7.根据权利要求6所述的可实现矩形均匀照明的灯具，其特征在于：所述散热片(3)通过导热硅脂贴合于所述灯板(2)背面和所述驱动电源(1)底部。
8.一种可实现矩形均匀照明的灯具组，其特征在于：包括多个串联或并联的如权利要求1至7任一所述的可实现矩形照明的灯具。
9.一种可实现矩形均匀照明的灯具灯罩结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述灯罩(5)透射区(52)外侧面的垂直和水平方向选取多个点进行高阶偶次函数拟合，然后在透射区(52)内侧面的垂直和水平方向选取多个点进行高阶偶次函数拟合，直到灯罩(5)在矩形照明大角度方向的调光曲线分布满足余弦函数，所述大角度方向为矩形照明的长度方向。
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