CN114576574A - 一种发光装置及一种灯具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种照明装置及一种灯具，一个中心点为B的光源和半径为R球心为O的球面反射镜，球面反射镜内凹的面为反射面，光源面向反射面发光，光被反射面反射后形成一个汇聚光束，汇聚光束汇聚于出射焦点A，光源中心点B与出射焦点A之间的长度为L，出射焦点A与光源中心B的连线为线段C，线段C位于球心O与反射面之间，球心O到线段C的距离为y，
利用便于加工和获得的球面替换椭球面，为了利用球面同样起到椭球面的作用，在本技术方案中公开了光源发光点，球面球心以及汇聚光束的出射焦点之间位置关系，起到球面代替椭球面的效果；使该发光面面发出的每一束光被球面反射后尽可能多的回到发光面。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体地说，涉及一种发光装置及灯具。
背景技术
在现有的发光装置中，为了能够控制出射光的发光角度和发光亮度，一般通过控制光源发出光的角度来控制出射光的发光角度和发光亮度。例如将大角度光出射或小角度光出射。
例如在深圳市光峰光电技术有限公司在2011年12月04日申请了名称为发光装置及其应用的投影系统，申请号：CN201110396392.4，如图1在该申请中公开了如下技术特征：优选地，第二光反射元件140可呈半球形或半球形的一部分，散光元件120被相干光入射的位置位于靠近该半球形球心的第一点，光收集装置160的入光口位于靠近该半球形球心的第二点，第一点和第二点关于该半球形的球心对称。相干光源110发出的相干光通过通光孔130入射到散光元件120，散光元件120的第二表面122发出的非相干光经第一光反射元件150反射后与散光元件的第一表面121发出的非相干光一起出射往第二光反射元件140。第二光反射元件140的反射面将大部分非相干光反射往位于靠近半球形球心的第二点的光收集装置的入光口，该大部分非相干光被光收集装置160收集并出射作为发光装置200的出射光。
本技术方案详细介绍了利用半球或半球形的一部分，其中被相干光入射的位置位于靠近该半球球心的第一点，收集装置的如光口位于靠近该半球形球心的第二点，第一点和第二点关于该半球形的球心对称。该现有技术给出了一种光出射利用半球或半球形的一部分的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述传统技术的不足之处，本发明提供一种控制光回收和光出射的发光装置。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种发光装置，其特征在于：包括一个中心点为B的光源和半径为R球心为O的球面反射镜，所述球面反射镜内凹的面为反射面，所述光源面向反射面发光，该光被反射面反射后形成一个汇聚光束，该汇聚光束汇聚于出射焦点A，所述光源中心点B与出射焦点A之间的长度为L，出射焦点A与光源中心B的连线为线段C，球心O到线段C的垂足位于线段C的中间部位，所述线段C位于球心O与反射面之间，球心O到线段C的距离为y，所述
一种发光装置，包括一个具有发光面的光源和半径为R的球面反射镜，其特征在于：所述球面反射镜球心为O，所述球面反射镜内凹的面为反射面，发光面面向反射面发光，所述发光面的外接圆直径为L,球心O到发光面的垂足位于发光面的中心部位，所述发光面位于球心O与反射面之间，发光面的几何中心C到球心O的距离为y，所述
作为上述技术方案的一种改进：所述
作为上述技术方案的一种改进：所述光源为LED发光芯片，所述LED发光芯片的发光面覆盖荧光材料。
作为上述技术方案的一种改进：所述光源为荧光发光装置，还包括激发荧光发光装置的激光光源，所述激光光源发出激光，激光激发荧光发光装置，荧光发光装置受激发出荧光。
作为上述技术方案的一种改进：所述荧光发光装置为反射式荧光片，所述激光光源设置在反射面远离反射式荧光片的一侧；反射面上设置有通光孔，激光穿过通光孔后激发反射式荧光片。
作为上述技术方案的一种改进：所述通光孔开孔的区域对应设置有第二反射面，反射式荧光片发出的一部分荧光到达第二反射面后被第二反射面重新反射回到反射式荧光片，所述第二反射面镀有透射激光反射荧光的镀膜层。
作为上述技术方案的一种改进：所述光源还包括紧贴荧光发光装置的LED发光芯片。
作为上述技术方案的一种改进：还包括光出射部，所述反射面覆盖发光面所发出光的一部分，发光面发出的另一部分光经过光出射部出射。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明发光装置使用的时候利用便于加工和获得的球面替换椭球面，为了利用球面同样起到椭球面的作用，在本技术方案中公开了光源发光点，球面球心以及汇聚光束的出射焦点之间位置关系的公式，起到球面代替椭球面的效果；
通过控制实际应用中具有发光面的光源与球面的距离，使该发光面面发出的每一束光被球面反射后尽可能多的回到发光面。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是在先申请中关于椭球的应用
图2是在先申请中关于圆球的应用。
图3是一种发光装置的剖视图。
图4是一种发光装置的剖视图。
图5是一种发光装置的剖视图。
图6是一种发光装置的剖视图。
图7是一种发光装置的剖视图。
图8是一种发光装置的剖视图。
图9是一种发光装置的剖视图。
图10是一种发光装置的剖视图。
具体实施方式
实施例1：
现有技术中，申请号：CN201110396392.4的专利中指出，在光的出射的时候利用半球或球面反射，并且散光元件120被相干光入射的位置位于靠近该半球形球心的第一点，光收集装置160的入光口位于靠近该半球形球心的第二点，第一点和第二点关于该半球形的球心对称。但是申请人通过实验发现上述技术方案给出第一点和第二点并不是最理想的情况。
如图3所示，一种发光装置，包括一个中心点为B的光源101和半径为R球心为O的球面反射镜102，所述球面反射镜102内凹的面为反射面103，所述光源101面向反射面103发光，该光以发光角度的不同分为第一角度光121和第二角度光，本实施例中第一角度光121为小角度光，第二角度光为大角度光。所述第一角度光121被反射面103反射后形成一个汇聚光束122，该汇聚光束122汇聚于出射焦点A，所述光源中心点B与出射焦点A之间的长度为L，出射焦点A与光源中心点B的连线为线段C，球心O到线段C的垂足位于线段C的中间部位，所述线段C位于球心O与反射面之间，球心O到线段C的距离为y，所述
将光源101面向球面反射镜102的反射面103发光，通过控制反射面的面积来控制汇聚光束122的发光角度。根据几何原理结合光学知识可知，由椭球的一个焦点发出的任意一束光经过该椭球面的反射后会回到该椭球的另一个焦点上。
理想情况是，光源101的中心点B与该椭球面的一个焦点重合，出射焦点A与该椭球面另一个焦点重合，由光源101的中心点B发出的任何一束光被椭球面反射后将由出射焦点A出射。椭球上述特性可以很好地应用在该发光装置中，由于椭球加工成本较高，并且加工精度难以保证，实际生产和应用中因为装配误差等原因效果并不理想。
由于椭球在实际应用中由于其加工装配的问题存在，申请人还是应用了容易获得的圆球，当反射面103用便于加工的球面的时候。其中线段C为光源101的中心点B与汇聚光束122在出射焦点A组成，线段C的长度为L。申请人经过反复试验后总结，调整反射面103对应的球心O与线段C的距离的时候，发现光源101的中心点B发出的第一角度光121经过反射面103反射后汇聚光束122在出射焦点A的亮度会发生变化，反射面103对应的球心O到线段C在某个取值范围的时候明显比球心O在线段C上要好。
为了验证上述问题，申请人的实验数据如下。
表1：
在本实验中，反射面103对应的球面半径为R，线段C的长度为L，将光源101中心点B所发出的光被反射面103反射后形成的汇聚光束122在出射焦点A处的亮度与光源101亮度的比值定义为W，球心O与线段C的距离为y。
在本实验中球面半径R不变，并且线段C的长度L也不变的情况下，将线段C慢慢向靠近反射面103的方向移动的时候，根据光学拓展量守恒可知，光源101中心点B发出的光被反射面103反射后形成的汇聚光束122在出射焦点A处的亮度要小于光源中心点B的发光亮度，只有当反射面103足够光滑才能保证出射焦点A处的亮度与光源101中心点B的亮度相同，我们在实际设计中就是为了在出射焦点A的亮度与光源101中心点B的亮度足够接近。
即y＝0开始，逐渐增大y的值，观察W的变化。申请人实验过程中发现当y＝0开始，y＝0为球心O到线段C的初始位置，此时定义y为V初始值，此时定义W为W初始值；线段向反射面103靠近的过程中，y逐渐增大，W也随着y的增大而逐渐增大，当y达到某一个值的时候W接近1，当W接近1的时候W为W最佳值，此时对应的y为y最佳值；当y继续增大的时候W逐渐开始减小，直到y到某一值的时候得到的W与y＝0的时候的W相等，此时y为y上限值，W为W上限值。
综上所述，球心O到线段C的距离为y，y初始值＜y＜y最佳值的时候对应的W均大于W初始值，当y＝W最佳值的时候出射焦点A处的亮度达到最大。
申请人为了研究反射面对应的球面半径R、线段C的长度L与y的关系继续进行了实验如下：
表2：
结合表1与表2，将光源101的中心点B从y＝0(当y＝0的时候即为现有技术中相关技术领域人员所指出的光源101中心点B与线段C在同一条直线的时候，本实施例中用y初始值表示)
根据实验中的数据拟合得到公式:
当0＜y＜y上限值，出射焦点A的亮度与光源101的比值均比y初始值的时候要好，此时存在一个W最佳值，将y上限值的公式带入到y的取值范围中，0＜y＜y上限值得到：
不等式同时除以R得到y的取值范围为，
通过实验我们得到y最佳值的时候，
由于实际生产和装配的误差等原因，y最佳值在某一个范围内，一种优选的实施方式是，
在实际操作中可以认为在大于y上限值的百分之四十并且小于y上限值的百分之六十的时候，由光源101中心点B发出的光在出射焦点A形成的汇聚光束122的亮度与光源101的亮度比值近似等于1，因此均在本专利的保护范围之内。
例如理想情况下，球心O到线段C的垂足位于线段C的中点，由于此时不是理想的情况所以球心O到线段C的垂足位于线段C的中间部位依然满足条件。因此在本技术方案中指出，球心O到线段C的垂足位于线段C的中间部位。对于上述分析可知，根据公式得到的y是一个最优的取值范围，此时光源101中心点B与出射焦点A之间的位置并不是一定要关于球心O对称，当光源101中心点B与出射焦点A不是关于球心O对称的时候，同样可以实现从光源101中心点B发出的光被反射面103反射后在出射焦点A实现理想的汇聚效果。
根据上述公开的技术方案可知，发光装置所需的光为光源101中部分角度的光。只有当光源101为全角发光的时候才能从中得到所需角度的光。如图4所示，一种优选的实施方式是，所述光源101为LED发光芯片101a，所述LED发光芯片101a的发光面覆盖荧光材料101b。由于LED发光芯片101a属于日常的一种照明装置，便于获得并且价格低，因此选用了LED发光芯片101a，在LED发光芯片101a表面覆盖荧光材料101b，LED发光芯片101a发出的光更加均匀。
综上所述，在本技术方案给出了球心O到光源101中心点B与出射焦点A之间的线段C的距离公式，并且得到了最优的距离范围，该技术方案克服了现有技术中认为球心O与光源101中心点B与出射焦点A在同一条直线上为最佳位置的技术偏见。
实施例2
LED发光芯片做光源，成本低，便于获得，使用安装方便，但是LED发光芯片受到自身功率的影响，在大功率照明中通过增加LED发光芯片的数量来提高照明用的功率，由于LED发光芯片需要占用一定的面积，LED发光芯片越多发光点的面积会越大，影响我们出光光束的发光角度和发光光斑，因此LED发光芯片在大功率照明中存在诸多问题。如图5所示，一种发光装置，为了解决大功率照明的问题一种优选的实施方式是，所述光源为荧光发光装置201，还包括激发荧光发光装置201的激光光源207，所述激光光源207发出激光223，激光223激发荧光发光装置201后荧光发光装置201受激发出荧光。所述荧光发光装置201为反射式荧光片，所述激光光源207设置在反射面203远离反射式荧光片的一侧；反射面203一旁设置有通光孔204，激光223穿过通光孔204后激发反射式荧光片。
反射式荧光片全角发光，因此本技术方案利用反射式荧光片201替代LED发光芯片，应用于大功率、远距离照明中。反射式荧光片发出的荧光包含符合要求的第一角度光221。由于荧光发光装置201为反射式荧光片，并且反射式荧光片朝向反射面203发光，需要激光223激发反射式荧光片并且不遮挡反射式荧光片发出的第一角度光221。因此，激光光源207位于反射面203远离反射式荧光片的一侧。因此在反射面203一旁设置有通光孔204，激光223穿过通光孔204后激发反射式荧光片。
实施例3
如图6所示，一种发光装置，本实施例与实施例1不同之处在于，实施例1中的第一角度光为小角度光，该实施例中第一角度光321为大角度光。
实施例4
如图7所示，一种发光装置，本实施例与实施例3的不同之处在于，所述光源为荧光发光装置401，还包括激发荧光发光装置401的激光光源407，所述激光光源407发出激光423，激光423激发荧光发光装置401后荧光发光装置401受激发出荧光。
所述荧光发光装置401为反射式荧光片，所述激光光源407设置在反射面403远离反射式荧光片的一侧；反射面403上设置有通光孔404，激光423穿过通光孔404后激发反射式荧光片。
在本实施例中通光孔404开设在反射面403上，虽然可以使激光423穿过通光孔404激发反射式荧光片，同样会有部分第一角度光421由通光孔404出射到该发光装置外，造成了光的浪费，导致反射式荧光片的利用率低。一种优选的实施方式是，所述通光孔404开孔的区域对应设置有第二反射面406，反射式荧光片发出的一部分第一角度光426到达第二反射面406后被第二反射面406重新反射回到反射式荧光片，所述第二反射面406镀有透射激光423反射荧光的镀膜层。
所述第二反射面406固定设置在第二透镜405上，第二反射面406避免了第一角度光426从通光孔404出射，提高了反射式荧光片发出受激光的利用率。由于第二透镜405为一个凹透镜，透镜409为聚光的凸透镜，为了使激光光源407发出的激光423经过透镜409和第二透镜405后仍然为聚焦的光束，优选的透镜409的曲率大于第二透镜405。
其中光源不仅仅是通过激光光源407激发反射式荧光片，一种优选的实施方式是，所述光源还包括紧贴荧光发光装置101的LED发光芯片。其中荧光发光装置101为透射式荧光片。透射式荧光片与LED发光芯片结合，发出的光的显色指数更高，色彩还原度更好。
实施例5
现有的照明装置中如果要出射光源所发出的某一角度范围的光，另一部分不满足角度范围的光就会被浪费掉，如何将光源发出的光中不符合使用要求的部分光散射反射后重新出射符合要求的角度范围的光。根据光学和几何知识可知，当该反射面为球面，光源位于该球面的球心处的时候便可以实现将不满足使用要求的光反射回到光源。
例如在超视界激光科技(苏州)有限公司，2017年08月07日申请的专利，发光装置及激光照明灯，申请号：CN201710664717.X，如图2所示，在该申请中公开了，通过设置球形反光碗作为反射单元30，并将波长转换单元20置于其球心处，激光束投射至透射型荧光层210上激发出的荧光一部分直接从第二通光孔320处出射，另一部分则经反射单元30反射后依然投射至波长转换单元20上进行再次激发，而再次激发出的一部分光会直接从第二通光孔320处出射，另一部分光则经反射单元30多次反射以及波长转换单元20多次激发后，最终所有的激发光都将从第二通光孔320处出射，如此不仅可以有效避免荧光从反射单元30的边缘处沿非指定方向出射，且光线经过多次激发还可以增强中心亮度，提高了安全性能和光源的利用率。
该现有技术在光出射中利用了由球心发出的光被球面反射后回到球心的特性。但是实际操纵中的光源并不是理想的点光源，所以反射面为球面，光源位于该球面的球心处的时候对该部分光的回收效果并不理想。
如图8所示，一种发光装置，包括一个具有发光面的光源501和半径为R的球面反射镜502，所述球面反射镜502球心为O，所述球面反射镜502内凹的面为反射面503，发光面面向反射面503发光，所述发光面的外接圆直径为L,球心O到发光面的垂足位于发光面的中心部位，所述发光面位于球心O与反射面503之间，发光面的几何中心C到球心O的距离为y，所述
现有技术中，发光装置及激光照明灯，申请号：CN201710664717.X，在该申请中公开了，通过设置球形反光碗作为反射单元，并将波长转换单元置于其球心处，激光束投射至透射型荧光层上激发出的荧光一部分直接从第二通光孔处出射，另一部分则经反射单元反射后依然投射至波长转换单元上进行再次激发的技术方案，该技术需要理论上的点光源在球面的球心处向球面发光来实现光源发出的光被球面反射后回到光源的发光点。但是实际应用中光源不是理想的点光源，那么从球心发出的光被球面反射后不会完全回到球心，此时对光源能发出的光的利用率比理论上有明显的下降。申请人发现了上述问题后进行了多次试验后发现改变光源发光面与球面的距离可以提高光源发出的光的利用率。
申请人进行了如下实验后得到了上述公式。申请人的实验数据如下。
为了解决该技术问题，该技术方案调整了发光面与反射面503的距离来实现由发光面发出的光尽量多的被反射面503反射后回到发光面。
实验过程中将发光面从y＝0(当y＝0的时候即为现有技术中相关技术领域人员所指出的光源位于球心O的时候。)为起点慢慢向靠近反射面503的方向移动。申请人实验过程中发现当光源从y＝0向反射面503靠近的过程中，发光面所发出的光被反射面503反射后回到发光面的光斑的亮度逐渐增加，y达到某一个取值范围的时候发光面发出的光被反射面503反射后回到发光面的光斑形成的亮度达到顶峰，当y继续增大的时候发光面发出的光被反射面503反射后回到发光面的光斑的亮度逐渐开始变小，直到y到达上限值的时候，此时发光面发出的光被反射面103反射后回到发光面的光斑的亮度与y＝0的时候相同。
申请人分析表格中y上限值的时候发现，当在图8所示的维度上发光面发出的第一角度光521经过反射面503反射后回到发光面的光斑的亮度达到最大，由于反射面503为一个球面，此时在与图3垂直的维度上被反射面503反射的第一角度光521在发光面上的光斑的亮度变得很小，因此当y在其上限值的时候，发光面所处的位置并不是位于最佳的位置上。实验过程中对反射面503反射后的第一角度光521在发光面形成光斑的亮度进行分析得到一个y最佳值，如表第5列所示，根据y最佳值与y上限值对比可知，y最佳值近似为y上限值的一半。
根据实验中的数据拟合得到公式
由于该公式是通过对数据的拟合得到的，公式获得的y并不是一个具体的数值，是一个近似的范围。只能说满足上述公式的时候，由光源501发光面上其中任意一点发出的光经过反射面503反射后回到发光面上。一种优选的实施方式是，所述
该技术方案使光源501发出的光被反射面503反射后尽量多的反射回到发光面。
例如理想情况下，球心O到发光面的垂足位于发光面的中点，由于此时不是理想的情况，所以球心O到发光面的垂足位于发光面的中心部位依然满足条件。因此在本技术方案中指出，球心O到发光面的垂足位于发光面的中心部位。对于上述分析可知，根据公式得到的y是一个最优的取值范围，发光面具有一定的面积，不会跟点光源一样，一旦偏离就无法接收到被反射面503反射的光。因此发光面的中心与球心O到发光面的垂足并不是一定要重合，当球心O到发光面的垂足在发光面的中心部位的时候，仍然可以保证较大部分被反射面503反射的光回到发光面。
其中光源501发出的光并不是完全经过反射面503反射后回到发光面，一种优选的实施方式是，还包括光出射部510，所述光出射部510包括第三反射面511发光面发出的第一角度光521经过第三反射面511反射后出射，所述反射面503覆盖发光面所发出的第二角度光522。不能被反射面反射的第一角度光521进过地三反射面511的反射后出射。
根据上述公开的技术方案可知，发光装置所需的光为光源501中部分角度的光。只有当光源501为全角发光的时候才能从中得到所需角度的光。一种优选的实施方式是，所述光源501为LED发光芯片，所述LED发光芯片的发光面覆盖荧光材料。由于LED发光芯片属于日常的一种照明装置，便于获得并且价格低，因此选用了LED发光芯片，在LED发光芯片表面覆盖荧光材料，LED发光芯片发出的光更加均匀。
实施例6
如图9所示，本实施例与实施例5不同使出在于，实施例5中第二角度光为光源所发出的大角度光，本实施例中第二角度光622为小角度光。如图10所示，当第二角度光622是小角度的时候反射面603与第三反射面611还可以是不拼接成一体的。本实施方式中反射面603与光源601相对设置，地三反射面611围绕光源601设置。
以上对本发明的数个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。上述实施例中各个特征之间还可以进行自由组合，例如实施例5与实施例6的光源也可以采用实施例2与实施例4中介绍的激光激发荧光发光装置。
凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种发光装置，其特征在于：包括一个中心点为B的光源和半径为R球心为O的球面反射镜，所述球面反射镜内凹的面为反射面，所述光源面向反射面发光，该光被反射面反射后形成一个汇聚光束，该汇聚光束汇聚于出射焦点A，所述光源中心点B与出射焦点A之间的长度为L，出射焦点A与光源中心B的连线为线段C，球心O到线段C的垂足位于线段C的中间部位，所述线段C位于球心O与反射面之间，球心O到线段C的距离为y，所述
2.一种发光装置，包括一个具有发光面的光源和半径为R的球面反射镜，其特征在于：所述球面反射镜球心为O，所述球面反射镜内凹的面为反射面，发光面面向反射面发光，所述发光面的外接圆直径为L,球心O到发光面的垂足位于发光面的中心部位，所述发光面位于球心O与反射面之间，发光面的几何中心C到球心O的距离为y，所述
3.根据权利要求1或2所述的一种发光装置，其特征在于：所述
4.根据权利要求1或2所述的一种发光装置，其特征在于：所述光源为LED发光芯片，所述LED发光芯片的发光面覆盖荧光材料。
5.根据权利要求1或2所述的一种发光装置，其特征在于：所述光源为荧光发光装置，还包括激发荧光发光装置的激光光源，所述激光光源发出激光，激光激发荧光发光装置后荧光发光装置受激发出荧光。
6.根据权利要求5所述的一种发光装置，其特征在于：所述荧光发光装置为反射式荧光片，所述激光光源设置在反射面远离反射式荧光片的一侧；反射面上或反射面一旁设置有通光孔，激光穿过通光孔后激发反射式荧光片。
7.根据权利要求6所述的一种发光装置，其特征在于：所述通光孔开孔的区域对应设置有第二反射面，反射式荧光片发出的一部分第一角度光到达第二反射面后被第二反射面重新反射回到反射式荧光片，所述第二反射面镀有透射激光反射荧光的镀膜层。
8.根据权利要求5所述的一种发光装置，其特征在于：所述光源还包括紧贴荧光发光装置的LED发光芯片。
9.根据权利要求2所述的一种发光装置，其特征在于：还包括光出射部，光出射部包括第三反射面，发光面发出的第一角度光经过第三反射面反射后出射，所述反射面覆盖发光面所发出的第二角度光。
10.一种灯具，其特征在于：包括权利要求1-9其中任意一项所述的一种发光装置。
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