CN114857542B - 一种无光污染的透镜及照明装置及照明系统 - Google Patents

一种无光污染的透镜及照明装置及照明系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种无光污染的透镜及照明装置及照明系统，包括直射部和设置在直射部侧边的折射部，直射部与折射部之间形成用于容置光源的容槽，直射部包括：第一入光面，用于供光源的光线入射；第一出光面，用于供经第一入光面入射的光线直接射出；折射部包括：第二入光面，与第一入光面连接，并用于供光源的光线入射；第二出光面，用于把经第二入光面入射的光线经折射后射出，经第二出光面射出的光线与经第一出光面射出的光线方向基本一致。本发明结构通过第二入光面和第二出光面的设置，使得光线经第二入光面经由第二出光面射出，经第二出光面射出的光线与经第一出光面射出的光线方向基本一致，从而避免了光污染现象的发生。

Description

一种无光污染的透镜及照明装置及照明系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种无光污染的透镜及照明装置及照明系统。
背景技术
现有的光源及LED光学配光透镜及配光技术其通常根据不同配光要求设计光学发光角度，主要有对称和非对称光学角度，但设计此类透镜时，会有散光和多余的光对着不需要照射的范围进行发光，其散发的光和多余的光会被认为是光污染。在部分对于光污染有要求的、只在需要的场地内进行照射的场合(如居民区旁的户外场所、运动球场、广场等等，要求无光污染)，现有技术无法满足对光污染的控制，因此，目前亟需一种方案能够实现光线定向射出的效果。解决以上不足。
发明内容
本发明针对现有技术的问题提供一种无光污染的透镜及照明装置及照明系统，能够实现光线定向射出的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的一种无光污染的透镜，包括透射部和反射部，所述反射部设置于透射部的后端，透射部与反射部之间设置有用于容置光源的容槽，透射部包括：
第一入光面，用于供光源的光线入射；
第一出光面，用于供经第一入光面入射的光线射出；
反射部包括反射面、第一折射面和第二出光面，
反射面用于把光源的光线进行反射至第二出光面进行射出；
第一折射面用于把光源的光纤进行折射。
进一步的，所述透射部的顶部设置有两个齿部，两个齿部之间具有间隙，其中一个齿部位于透射部与另一个齿部之间，两个齿部远离透射部的一端分别设置有第二出光面。
进一步的，所述反射部设置有折光部，折光部位于容槽内，折光部靠近透光部的一端设置有第二折射面，反射面设置于折光部远离透光部的一端，第二折射面用于把光源的光线折射至反射面，经反射面反射至第二出光面射出。
更进一步的，所述折光部悬空设置，折光部自连接反射部的一端向另一端宽度逐渐减小。
进一步的，还包括底件，底件设置有用于装配折射部的安装座，安装座经重度磨砂处理；经第一折射面折射后的光线进入安装座内。
更进一步的，所述直射部和折射部经以下方法进行设计而成：
A.计算灯珠的光通量分布情况；
B.设定理想目标面，计算灯珠发出的各光线全部照射至理想坐标面内时的折射点坐标；
C.根据各折射点坐标，设计透镜的表面曲线；
D.利用绘图软件进行透镜的设计。
本发明还提供了一种照明装置，包括上述无光污染的透镜。
本发明还提供了一种照明系统，包括上述的照明装置。
本发明的有益效果：本发明经反射部实现把光线进行反射后沿着既定方向射出，从而避免了光污染现象的发生，提升了光利用率以及灯珠的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1的示意图。
图2为实施例1的另一视角示意图。
图3为实施例1的剖视图。
图4为实施例1的光路图。
图5为实施例1的另一视角下的光路图。
图6为实施例1的光强配光曲线图。
图7为实施例1的辐照度分布图。
图8为实施例1的另一实施方式示意图。
图9为实施例1的另一实施方式的另一视角示意图。
图10为实施例1的另一实施方式的剖视图。
图11为实施例1的另一实施方式的光路图。
图12为实施例1的另一实施方式的另一角度下的光路图。
图13为实施例1的另一实施方式的光强配光曲线图。
图14为实施例1的另一实施方式的辐照度分布图。
图15为实施例2的示意图。
图16为实施例3的使用场景照度数据表。
附图标记：1—透射部，2—反射部，4—底件，5—光源，6—容槽，11—第一入光面，12—第一出光面，21—齿部，22—折光部，23—反射面，24—第一折射面，25—第二出光面，26—第二折射面，41—安装座。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图1至图7、图16所示，一种无光污染的透镜，包括透射部1和反射部2，所述反射部2设置于透射部1的后端，透射部1与反射部2之间设置有用于容置光源5的容槽6，透射部1包括：
第一入光面11，用于供光源5的光线入射；
第一出光面12，用于供经第一入光面11入射的光线射出；
反射部2包括反射面23、第一折射面24和第二出光面25，
反射面23用于把光源5的光线进行反射至第二出光面25进行射出；
第一折射面24用于把光源5的光纤进行折射。
实际使用时，该透镜安装在底件4，底件4设置有用于装配折射部的安装座41，安装座41经重度磨砂处理；经第一折射面24折射后的光线进入安装座41内。当容槽6内的光源5发光时，大部分光线经第一入光面11后于透射部1内进行折射，最终经第一出光面12射出至外界；而光源5后端发出的光泽分为两部分：一部分由第一折射面24折射而进入安装座41内，被重度磨砂的安装座41吸收而无法射出至外界，所述安装座41上还可以增加一层挡光装置(例如设置一层不透光的挡光层在安装座41上方，仅供透镜的出光部分凸出来)，充分确保透镜定向发光；另一部分则是经反射面23进行折射后，由第二出光面25射出，此时经第二出光面25射出的光线与经第一出光面12射出的方向均与既定方向基本相同，因此提升了的光的利用率，且避免了光污染的现象发生。
在本实施例中，所述透射部1的顶部设置有两个齿部21，两个齿部21之间具有间隙，其中一个齿部21位于透射部1与另一个齿部21之间，两个齿部21远离透射部1的一端分别设置有第二出光面25。经反射后的光线会于两个齿部21的第二出光面25进行射出，齿部21的角度需要根据具体光源5的情况进行设置，从而让光线到达第二出光面25后发生一定角度的折射后射出，保持在既定方向的范围内。
在本实施例中，所述反射部2设置有折光部22，折光部22位于容槽6内，折光部22靠近透光部的一端设置有第二折射面26，反射面23设置于折光部22远离透光部的一端，第二折射面26用于把光源5的光线折射至反射面23，经反射面23反射至第二出光面25射出。
具体的，所述折光部22悬空设置，折光部22自连接反射部2的一端向另一端宽度逐渐减小。即该折光部22也为齿状，当光源5的光线射至折光部22时，光线经第二折射面26进入折光部22内，因此光线按照一定的角度进行折射后于折光部22内射向反射部2，并由反射部2进行反射后沿着既定轨迹射出至齿部21的第二出光面25进行射出，以保证射出路径符合要求。
此外，部分不经第二出光面25射出的光线，会落入折光部22被安装座41包住的位置进行吸收，以避免路径不符合要求而导致造成光污染。
在本实施例中，所述透射部1和反射部2一体成型，该整体经以下方法进行设计而成：
A.计算灯珠的光通量分布情况；
B.设定理想目标面，计算灯珠发出的各光线全部照射至理想坐标面内时的折射点坐标；
C.根据各折射点坐标，设计透镜的表面曲线；
D.利用绘图软件进行透镜的设计。
具体的，在步骤A中，具体包括：
A1.设灯珠的总光通量为φ，灯珠与目标面之间的照射角度为θ，中心光强为I0；把θ均匀分为n份，且其中m为前m份的θ角度之和；
A2.建立φ与θ的关系：
A3.推导得出/>
A4.结合公式(1)和(2)，计算得出
A5.根据光通量把目标面划分为n份，设最大目标面半径为R，灯珠与目标面之间距离为h，
则最大目标面半径
最大目标面面积
得出结合(a)则得出/>
A6.根据公式(c)，算出灯珠各角度下的照射的理想目标面。
实际使用时，在步骤A中，可把θ按照1°或者0.5°进行划分，即若θ为90°时，n可为90或者180甚至其他数值。而本发明采用把发光件的照射角度平均分为n，且按照第一份为第二份为/>(即第二份包含了第一份以及与第一份相邻的一份)……这种方式进行划分，然后算出各份内的光通量之和，并把算得的结果与理想目标面进行对应，即第一份光通量照射是所产生的理想目标面半径为R1，即第一份光通量照射是所产生的理想目标面半径为R2，……从而获得不同的选择角度下所照射出的光线进入理想目标面的光通量以及直径等参数之间的关系。
随后根据不同角度下光通量的关系以及与理想目标面半径的关系等，确定m个角度下的光通量经折射后应当设在理想目标面内直径为Rm的范围内，以便于进行后续的设计。
具体的，在步骤B中，具体包括：
B1.设坐标点Fn(Rn，hn)，灯珠射入透镜的向量为Inn(In_xn，In_zn)，该摄入向量经透镜折射后出射向量为Outn(Out_xn，Out_zn)，法向量为Nn(N_xn，N_zn)，切向量为Tn(T_xn，T_zn)，折射率为c，则根据这反射定律可得
B2.则Inn、Outn、Nn以及Tn可通过如下方式算得：
N_xn＝c*In_xn-Out_xn，N_zn＝c*In_zn-Out_zn，
上述公式同时满足：T*N＝0；
B3.根据B2得出：
T_x*N_x+T_z*N_z＝0 (3)，
B4.根据公式(3)和(4)，通过迭代计算得出n个折射坐标点；
B5.把n个折射坐标点进行连线，得出透镜的表面曲线。即通过上述对于射入向量与理想的射出向量之间的关系，计算出两者之间的折射点，根据n个折射点之间的连线，即可得到一个曲线，根据该曲线进行透镜设计，即可让该发光件射出的光线经透镜折射后落在理想目标面上，达到了让全部光线汇聚向前以一定角度发射而不发生侧边漏光的特点。
图1至图7展示了右透镜的结构，实际上本实施例还可以作为左侧透光的结构使用。如图8至图14展示了本实施例的另一实施方式，其结构大体与图1至图7所展示的结构类似，不同之处仅在于：两者的朝向不同，所达到的射出光线的方向也不同，但左右透镜可以配合使用，实现不需要照射的区域无光污染。
实施例2
本实施例提供了一种照明装置，其包括光源5以及实施例1所述无光污染的透镜，以使得照明装置发出的光线只朝向一个方向射出，其背部、底部和四周均不会有明显的亮度变化，从而减少了光污染的发生，并提升了对于光源5的利用率以及避免温度过高的现象发生。
实施例3
本实施例提供了一种照明系统，包括至少一个实施例2所述的照明装置。
如图16所示为本实施例在一足球场下的照度数据表，照度单位LX。该数据表为在光学模拟软件中模拟得出，模拟场地为足球场(即数据表中的线条部分，其中小框为本实施例的装置)。显然，从表中得知：通过左右透镜照明装置配合使用，大大降低了足球场以外的照度值、无光污染，并同时满足光在场内的均匀度。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种无光污染的透镜，其特征在于：包括透射部和反射部，所述反射部设置于透射部的后端，透射部与反射部之间设置有用于容置光源的容槽，透射部包括：
第一入光面，用于供光源的光线入射；
第一出光面，用于供经第一入光面入射的光线射出；
反射部包括反射面、第一折射面和第二出光面，
反射面用于把光源的光线进行反射至第二出光面进行射出；
第一折射面用于把光源的光纤进行折射；
所述透射部的顶部设置有两个齿部，两个齿部之间具有间隙，其中一个齿部位于透射部与另一个齿部之间，两个齿部远离透射部的一端分别设置有第二出光面；
所述反射部设置有折光部，折光部位于容槽内，折光部靠近透光部的一端设置有第二折射面，反射面设置于折光部远离透光部的一端，第二折射面用于把光源的光线折射至反射面，经反射面反射至第二出光面射出；
所述透射部与反射部经以下方法进行设计而成：
A.计算灯珠的光通量分布情况；
B.设定理想目标面，计算灯珠发出的各光线全部照射至理想坐标面内时的折射点坐标；
C.根据各折射点坐标，设计透镜的表面曲线；
D.利用绘图软件进行透镜的设计；
在步骤A中，具体包括：
A1.设灯珠的总光通量为φ，灯珠与目标面之间的照射角度为θ，中心光强为I0；把θ均匀分为n份，且，其中m为前m份的θ角度之和；
A2.建立φ与θ的关系：（1）；
A3.推导得出/>（2）；
A4.结合公式（1）和（2），计算得出 （a）；
A5.根据光通量把目标面划分为n份，设最大目标面半径为R，灯珠与目标面之间距离为h，
则最大目标面半径，
最大目标面面积，
得出，结合（a）则得出/> （c）；
A6.根据公式（c），算出灯珠各角度下的照射的理想目标面；
在步骤B中，具体包括：
B1.设坐标点Fn（Rn，hn），灯珠射入透镜的向量为Inn（In_xn，In_zn），该摄入向量经透镜折射后出射向量为Outn（Out_xn，Out_zn），法向量为Nn（N_xn，N_zn），切向量为Tn（T_xn，T_zn），折射率为c，则根据这反射定律可得；
B2.则Inn、Outn、Nn以及Tn可通过如下方式算得：
，/>，
,/>,
N_xn= c*In_xn- Out_xn，N_zn= c*In_zn- Out_zn，
，/>，
上述公式同时满足：T*N=0；
B3.根据B2得出：
T_x* N_x+ T_z* N_z=0 （3），
（4）；
B4.根据公式（3）和（4），通过迭代计算得出n个折射坐标点；
B5.把n个折射坐标点进行连线，得出透镜的表面曲线。
2.根据权利要求1所述无光污染的透镜，其特征在于：所述折光部悬空设置，折光部自连接反射部的一端向另一端宽度逐渐减小。
3.根据权利要求1所述无光污染的透镜，其特征在于：还包括底件，底件设置有用于装配折射部的安装座，安装座经重度磨砂处理；经第一折射面折射后的光线进入安装座内。
4.一种照明装置，其特征在于：包括权利要求1-3任意一项所述的无光污染的透镜。
5.一种照明系统，其特征在于：包括权利要求4所述的照明装置。
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