CN114353013A - 一种led配光装置及用于替代卤素灯丝的led组合光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于照明技术领域，公开了一种LED配光装置及用于替代卤素灯丝的LED组合光源，LED配光装置包括至少一个配光单元，配光单元后端设置有用于将LED多角度发出的光线转化为平行向前射出的光线的入射配光结构，前端设置有用于将平行向前射出的光线转化为向侧面射出的光线的出射配光结构；使用LED光源加本发明的LED配光装置作为一个组合光源，可以直接替换卤素灯具中的卤素灯丝，而卤素灯具中的原有的结构不需要替换，大大降低卤素灯升级为LED灯的成本，并且节约了资源，同时也符合节能环保理念。在实际应用时，本发明提出的LED配光装置可以应用于卤素球泡灯，阅读灯，路灯，隧道灯，室内照明灯具等，使用范围较为广泛。

Description

一种LED配光装置及用于替代卤素灯丝的LED组合光源

技术领域

本发明属于照明技术领域，涉及LED光源配光技术，具体为一种LED配光装置及用于替代卤素灯丝的LED组合光源。

背景技术

LED具有节能、环保、使用寿命长等优点，因而被广泛应用于路灯、隧道灯、球泡灯、阅读灯、车灯以及室内照明等。然而由于LED灯的成本高于卤素灯，为了降低成本，在实际生活中仍有大量应用场景在使用卤素灯。

对于那些仍然使用卤素灯具的应用场景，如果想要将卤素灯更换为LED灯则不太方便，主要是因为LED光源的光强分布与卤素灯丝不同，因而在更换时，并不能仅仅更换灯具中的卤素灯泡，而是需要更换整个灯具，这将造成巨大的浪费。比较理想的方式是，仅更换卤素灯具中的灯泡，而无需整体更换灯具，或对灯具进行其它改造。

基于这种需求，是否可以通过对LED进行配光使其最后发出的光线具有与卤素灯丝等效的光强分布，成为现有技术中有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述有待解决的技术问题，提供一种光强分布与卤素灯丝等效的LED配光解决方案。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种LED配光装置，包括至少一个用于对一颗或者一组LED配光的柱状配光单元，所述配光单元由单一透明介质构成，所述配光单元后端设置有用于将LED多角度发出的光线转化为平行向前射出的光线的入射配光结构，前端设置有用于将平行向前射出的光线转化为向侧面射出的光线的出射配光结构；

所述入射配光结构为旋转体结构，包括第一折射曲面、第二折射曲面、第一反射曲面，所述出射配光结构包括第二反射面。第一折射曲面位于拟设置LED的位置前方，LED发出的光线一部分向前射向第一折射曲面，经第一折射曲面折射后平行向前射出，第二折射曲面设置于拟设置LED的位置的侧面，第一反射曲面设置于第二折射曲面外侧，LED发出的光线另一部分射向第二折射曲面，经第二折射曲面折射后射向第一反射曲面，再经第一反射曲面反射后平行向前射向第二反射面，经第二反射面反射后向侧面射出配光单元。

进一步地，所述第一反射曲面对拟设置LED的位置发出的光线符合全反射条件。

作为出射配光结构的一种选择，所述第二反射面可以是一倾斜的平面，所述第二反射面与配光单元中心轴夹角为35-55度，优选45度。也可以是弧线或抛物线垂直拉伸形成的弧形面或抛物面，第二反射面的反射光线与配光单元中心轴最小夹角为30-40度，最大夹角为50-60度。

作为出射配光结构的另一种选择，所述第二反射面为以配光单元中心轴为旋转轴心的旋转曲面，可以是由直线母线旋转形成的锥面，母线与配光单元中心轴夹角为35-55度。也可以是弧线母线或抛物线母线旋转形成的弧形旋转曲面或抛物面旋转曲面，第二反射面的反射光线与配光单元中心轴最小夹角为30-40度，最大夹角为50-60度。

可选择地，所述配光装置由单个配光单元构成。

可选择地，所述配光装置由多个配光单元构成，所述配光单元的光线出射方向沿径向向外。可以是，每个所述配光单元为一个独立的个体，多个配光单元在一个或几个同轴的圆周上阵列分布；也可以是，每个圆周上的多个配光单元构成一个环形独立个体，一个圆周上的每个配光单元为该环形独立个体中的一部分；再或者是，一个或几个圆周上的多个配光单元构成一个环形独立个体，另外的一个或几个圆周上，每个配光单元为一个独立的个体，每个圆周上的多个配光单元沿周向阵列分布。

优选地，所述配光装置由分别在内圈和外圈上环形阵列的多个配光单元构成。进一步地，内圈上的配光单元前端伸出外圈上的配光单元，内圈上的配光单元的光线出射方向与配光装置中心轴的最小夹角为45度，外圈上的配光单元的光线出射方向与配光装置中心轴的最大夹角为45度。

作为一种变形，所述配光装置由多个配光单元构成，多个配光单元在一个或几个同轴的圆周上阵列分布，每个配光单元除前端第二反射面以外的主体部分为一个独立的个体，所述配光单元的主体部分后端具有如前文所述的入射配光结构，前端为垂直于配光装置中心轴的透光平面，配光装置前端设置一个以配光装置中心轴为旋转轴心的旋转面，所述旋转面可以是由直线母线旋转形成的锥面，母线与配光单元中心轴夹角为35-55度。也可以是弧线母线或抛物线母线旋转形成的弧形旋转曲面或抛物面旋转曲面，第二反射面的反射光线与配光单元中心轴最小夹角为30-40度，最大夹角为50-60度。所述旋转面轴向与各配光单元主体部分相对应的部分曲面作为各配光单元的第二反射面。

基于上述配光装置，本发明第二个目的是进一步提供一种可以替换卤素灯丝的LED组合光源，由LED光源和前文所述配光装置组合而成，所述LED光源数量与配光装置中的配光单元数量相同，每个配光单元的后端设置一颗LED光源。

采用了上述技术方案的本发明的设计出发点、理念及有益效果是：

本发明提出的LED配光装置，通过对LED发出的光线进行引导和配置，使LED发出的光线最后向外射出时，光照效果与卤素灯丝发出光线的光照效果基本相同，因此可以用本发明的LED配光装置与LED组合使用来代替卤素灯丝，LED配光装置与LED的组合即为本发明继而提出的一种可以替换卤素灯丝的LED组合光源；具体来说，把LED光源设置在每个配光单元的后端，使得LED与配光单元作为一个整体，替换卤素灯具中的卤素灯丝，而卤素灯具中原有的结构则不需要更换，大大降低卤素升级为LED灯的成本，并且节约了资源，同时也符合节能环保理念。

在实际应用时，本发明提出的配光装置可以应用于卤素球泡灯，阅读灯，路灯，隧道灯，室内照明灯具等等，使用范围较为广泛，因而适合大规模推广使用。

附图说明

图1为现有技术中卤素灯的结构图；

图2为本发明在实施例中用LED与配光装置组合替换灯泡中的卤素灯丝的效果示意图；

图3为本发明在实施例中配光单元的第二折射曲面是曲面反射面、第二反射面是平面反射面时的光路原理示意图；

图4为本发明在实施例中配光单元的第二折射曲面是曲面反射面、第二反射面是曲面反射面时的光路原理示意图；

图5为本发明在实施例中配光单元的第二折射曲面是平面反射面、第二反射面是平面反射面时的光路原理示意图；

图6为本发明在实施例中配光单元按照单圈环形阵列形式排列时的光导阵列的立体结构示意图；

图7为本发明在实施例中配光单元按照内、外圈环形阵列形式排列时的光导阵列的立体结构示意图一；

图8为本发明在实施例中配光单元按照内、外圈环形阵列形式排列时的光导阵列的立体结构示意图二；

图9为本发明在实施例中配光单元按照内、外圈环形阵列形式排列时的光导阵列的光路原理示意图；

图10为本发明在实施例中配光单元的导光段前端面为透光平面、且第二反射面统一设置在锥形反射镜上时的光导阵列的立体结构示意图；

图11为本发明在实施例中配光单元的导光段前端面为透光平面、且第二反射面统一设置在锥形反射镜上时的光导阵列的光路原理示意图；

图12本发明在实施例中内、外圈的配光单元一体成型于一柱形体上、且第二反射面是反射锥面时的光导阵列的立体结构示意图；

图13本发明在实施例中内、外圈的配光单元一体成型于一柱形体上、且第二反射面是反射锥面时的光导阵列的侧视图。

各附图标记为：卤素灯丝1；配光单元2；第一部分3；第二部分4；第三部分5；锥形反射镜6；反射锥面7。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，术语“至少一个”指一个或一个以上，除非另有明确的限定。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的具体实施方式如下：

实施例：如图1-13所示，本发明的设计目标是用LED光源加上本发明的配光装置组合形成的LED组合光源可以产生与卤素灯丝1等效的光强分布，这样只需要将卤素灯具中的卤素灯丝1替换成LED光源与配光装置，而不需要更换卤素灯的配光装置及外壳等，即将图1中的卤素灯丝1替换成图2中的LED与配光装置组合。这样替换方便，通用性较强，最重要的是可以大大降低卤素灯升级为LED灯的成本。本发明提出的LED配光装置，其配光原理可以适用于单颗LED光源，也可以适用于多颗LED光源。

所述的配光装置包括柱状的配光单元2，所述配光单元2由单一透明介质构成，在本实施例中所述的配光单元2包括了三个部分：第一部分3为入射配光结构，所述的入射配光结构为组合了第一折射曲面、第二折射曲面和第一反射曲面的折返透镜部分，用来将LED光源变成平行光；第二部分4为导光段，主要用来传导光线，将平行光向前传导；第三部分5为出射配光结构，所述的出射配光结构为第二反射面，能够将平行光线转化为向侧面射出的光线。

一、当适用于单颗LED光源时，其结构如图3-5所示，在图中的S点放置LED光源：

如图3、4所示，所述第二反射面可以是一个平面反射面，即图3中CD所代表的平面反射面，并且所述平面反射面与配光单元2中心轴的夹角优选为45°；所述第二反射面也可以是一个曲面反射面，即图4中C'D'所代表的曲面反射面，所述曲面反射面可以是由弧线垂直拉伸形成的弧形面，也可以是由抛物线垂直拉伸形成的抛物面。

如图3、5所示，所述的第二折射曲面可以是一个曲面反射面，即图3中AM所代表的曲面反射面；所述第二折射曲面也可以是一个平面反射面，即图5中A'M'所代表的平面反射面。

下面结合图形具体来说明：

如图3所示，所述的第一折射曲面为MN，所述的第二折射曲面为AM，所述的第一反射曲面AB，所述的第二反射面为CD，图中SM、SN与MN包围成的区域为小角度区域；图中SM、SA包围成的区域为大角度区域，所述的大、小角度分界线为SM。所述的SM与配光单元2中心轴的夹角优选45°，当出射光线与配光单元2中心轴的夹角小于45°时，出射光线进入小角度区域；当出射光线与配光单元2中心轴的夹角大于45°时，出射光线进入大角度区域。

具体来说，LED的光线从S点发出，当LED出射的光SQ在小角度区域通过第一折射曲面MN折射后变为平行光QT，平行光QT经过第二反射面CD变成垂直于配光单元2中心轴的TU射出配光单元2外；当LED出射的光SP在大角度区域通过第二折射曲面AM折射后变成光线PR，光线PR再经过第一反射曲面AB变得平行光RH，平行光RH经过第二反射面CD变成垂直于配光单元2中心轴的HV射出配光单元2。

如图4所示，与图3不同点在于，本图中的第二反射面为曲面反射面C'D'，为另外一种实施方式，所述曲面反射面C'D'的反射光线与配光单元2中心轴最小夹角为30-40度，最大夹角为50-60度，本图中优选反射光线与配光单元2中心轴夹角为35度与55度画出，分别为图中反射光线H'V'与反射光线T'U'。

如图5所示，与图3不同点在于，本图中的第二折射曲面为平面反射面A'M'，同样为另外一种实施方式，与图3所述的原理相同，此处不在叙述。

二、当适用于多颗LED光源时，其结构相当于适用于单颗LED光源的配光单元2做为一个组成单元，由多个配光单元2组合形成不同的光导阵列，其排列方式可以有很多种形式。

以下列出四种光导阵列来举例说明：

（1）所述的每个配光单元2按照单圈环形阵列形式排列成的光导阵列，如图6所示，本例中光导阵列总共是由9个配光单元2均匀的排列在一个圆周上形成的，9个配光单元2以光导阵列的轴心为旋转中心40度旋转对称，每一个配光单元2的出射光线均沿光导阵列的半径向外，每一个配光单元2对应一颗LED光源，这样可以产生与卤素灯丝1等效的光强分布图。

（2）所述的每个配光单元2按照内、外圈环形阵列形式排列成的光导阵列，如图7-9所示，内圈是由3个配光单元2均匀的排列在一个圆周上形成，3个配光单元2以光导阵列的轴心为旋转中心120度旋转对称，外圈是由10个配光单元2均匀且一体成型的排布在一个环形独立个体上形成, 10个配光单元2以光导阵列的轴心为旋转中心36度旋转对称，所述的内圈与外圈同轴，每一个配光单元2对应一颗LED光源。图9为按照该形式排列时，光导阵列的光路原理图，与单个配光单元2的原理一样。

（3）作为变形，与上述（1）、（2）光导阵列中的配光单元2不同点在于，该排列形式中，各配光单元2的第一部分入射配光结构与第二部分4的导光段连成一个实体，但第二反射面并不与配光单元2的导光段直接连接，而是所有配光单元2的第二反射面统一设置在各配光单元2导光段的前方的一锥形反射镜6上，各配光单元2的导光段前端面为与导光段轴向垂直的透光平面。

具体来说如图10、11所示，8个配光单元2按照矩形阵列形式排列成的光导阵列，其中两两相邻的两个配光单元2高低一致，当由S点发出的LED光源经过第一部分变成平行光，所述平行光再经过第二部分4传导后从透光平面穿出，此时穿出的平行光经过锥形反射镜6的锥面反射后，垂直于锥形反射镜6的中心轴射出。

（4）基于（3）中叙述的光导阵列的一种变形式，与（3）中叙述的光导阵列的不同点在于，该光导阵列中不用设置锥形反射镜6。

具体来说，如图12、13所示，每个配光单元2按照内、外圈柱形阵列形式排列成的光导阵列，内圈为3个配光单元2均匀环绕而成，3个配光单元2以光导阵列的轴心为旋转中心120度旋转对称，外圈为10个配光单元2均匀环绕而成，10个配光单元2以光导阵列的轴心为旋转中心36度旋转对称，所述内、外圈的配光单元2一体成型于一柱形体上，其中所述配光单元2的第二反射面是由直线母线旋转一周形成的反射锥面7，在本例中所述母线与光导阵列的中心轴的夹角优选45度。所述的反射锥面7等效于（3）中叙述的锥形反射镜6，相当于把（3）中叙述的配光单元2与锥形反射镜6集成在一起，其产生的光强分布与（3）中叙述的光导阵列一致，同样可以产生与卤素灯丝1等效的光强分布图。

Claims (10)

1.一种LED配光装置，其特征在于：包括至少一个用于对一颗或者一组LED配光的柱状配光单元，所述配光单元由单一透明介质构成，所述配光单元后端设置有用于将LED多角度发出的光线转化为平行向前射出的光线的入射配光结构，前端设置有用于将平行向前射出的光线转化为向侧面射出的光线的出射配光结构；

所述入射配光结构为旋转体结构，包括第一折射曲面、第二折射曲面、第一反射曲面，所述出射配光结构包括第二反射面；第一折射曲面位于拟设置LED的位置前方，LED发出的光线一部分向前射向第一折射曲面，经第一折射曲面折射后平行向前射出，第二折射曲面设置于拟设置LED的位置的侧面，第一反射曲面设置于第二折射曲面外侧，LED发出的光线另一部分射向第二折射曲面，经第二折射曲面折射后射向第一反射曲面，再经第一反射曲面反射后平行向前射向第二反射面，经第二反射面反射后向侧面射出配光单元。

2.根据权利要求1所述的LED配光装置，其特征在于：所述第一反射曲面对拟设置LED的位置发出的光线符合全反射条件。

3.根据权利要求1所述的LED配光装置，其特征在于：所述第二反射面是一倾斜的平面，所述第二反射面与配光单元中心轴夹角为35-55度；

或者是弧线或抛物线垂直拉伸形成的弧形面或抛物面，第二反射面的反射光线与配光单元中心轴最小夹角为30-40度，最大夹角为50-60度。

4.根据权利要求1所述的LED配光装置，其特征在于：所述第二反射面为以配光单元中心轴为旋转轴心的旋转曲面。

5.根据权利要求4所述的LED配光装置，其特征在于：所述第二反射面是由直线母线旋转形成的锥面，母线与配光单元中心轴夹角为35-55度；

或者是弧线母线或抛物线母线旋转形成的弧形旋转曲面或抛物面旋转曲面，第二反射面的反射光线与配光单元中心轴最小夹角为30-40度，最大夹角为50-60度。

6.根据权利要求1所述的LED配光装置，其特征在于：所述配光装置由多个配光单元构成，所述配光单元的光线出射方向沿径向向外。

7.根据权利要求6所述的LED配光装置，其特征在于：每个所述配光单元为一个独立的个体，多个配光单元在一个或几个同轴的圆周上阵列分布。

8.根据权利要求6所述的LED配光装置，其特征在于：每个圆周上的多个配光单元构成一个环形独立个体，一个圆周上的每个配光单元为该环形独立个体中的一部分。

9.根据权利要求6所述的LED配光装置，其特征在于：一个或几个圆周上的多个配光单元构成一个环形独立个体，另外的一个或几个圆周上，每个配光单元为一个独立的个体，每个圆周上的多个配光单元沿周向阵列分布。

10.一种用于替换卤素灯丝的LED组合光源，其特征在于：由LED光源和权利要求1-9所述配光装置组合而成，所述LED光源数量与配光装置中的配光单元数量相同，每个配光单元的后端设置一颗LED光源。

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