CN115299263A - 一种led光脉冲调制高效植物补光灯及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光学设计与LED照明相结合技术领域的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，包括：设有LED芯片的发光元件以及设有准直透镜的准直元件，所述准直透镜与LED芯片相对应，所述补光灯还包括：设置在发光元件与准直元件之间的反光元件，用于对准直透镜表面反射出的光线进行反射，所述准直元件远离发光元件的一侧间隔设有分光元件，所述发光元件上设有电机以驱动分光元件旋转，形成光照度均匀分布的圆形光斑，本发明通过先准直后分光的策略实现对从LED发出的光在照射面上形成“两边强中间弱”的矩形光斑，在电机的带动下转动分光元件，可以在照射面上形成光照度均匀分布的圆形光斑，有利于植物在此灯具的照射下生长情况一致。
Description
技术领域
本发明涉及光学设计与LED照明相结合技术领域，具体为一种LED光脉冲调制高效植物补光灯及使用方法。
背景技术
均匀性是农业补光灯具的一个重要的指标，均匀性的提升对于补光灯具下植物的生长有着重要的意义。
LED旋转补光灯作为一种农业补光灯具(可参考专利“CN210951028U-一种植物补光灯”)，能够在阴雨天气下，为温室大棚内的植物生长补充适当的光照，相较于传统植物补光灯具而言，其在具有相同的灯珠数量以及不改变植物接收到的光照度的基础上，能够提供更大的照明面积，是未来植物补光灯的发展方向。
目前，LED旋转补光灯存在着照明区域内中间光照度强，边缘光照度弱这一光照度分配不均的问题，使得其照明区域内的植物长势不一，中间区域的植物长势较好，边缘区域的植物长势较差，为此，我们提出一种LED光脉冲调制高效植物补光灯及使用方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED光脉冲调制高效植物补光灯及使用方法，以解决上述背景技术中提出的LED旋转补光灯存在着照明区域内中间光照度强，边缘光照度弱这一光照度分配不均的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，包括：设有LED芯片的发光元件以及设有准直透镜的准直元件，所述准直透镜与LED芯片相对应，所述补光灯还包括：
设置在发光元件与准直元件之间的反光元件，用于对准直透镜表面反射出的光线进行反射；
所述准直元件远离发光元件的一侧间隔设有分光元件；
其中，所述分光元件由多组呈线性阵列排布的柱面透镜单元组成，所述柱面透镜单元的两侧分别设有基于预设数据模型自由曲面的柱面透镜单元前表面与柱面透镜单元后表面；
所述发光元件上设有电机以驱动分光元件旋转，形成光照度均匀分布的圆形光斑。
作为优选，所述LED芯片上设有PCB板，所述LED芯片有若干组，若干组所述LED芯片呈环带状分布在PCB板上；
其中，所述LED芯片的光源为朗伯光源，所述LED芯片光源的发散角为120°。
作为优选，所述准直透镜上设有PC板，所述准直透镜有若干组，所述准直透镜与LED芯片一一对应；
其中，所述PC板是由高透过率的PC材料制成，所述准直透镜为全内透反射式的准直透镜。
作为优选，所述反光元件上开设有圆孔以使准直透镜穿过。
作为优选，所述柱面透镜单元是由高透过率的PMMA材料制成，所述柱面透镜单元共有M列。
作为优选，所述发光元件、反光元件、准直元件和分光元件的外形均为半径为r的圆，所述发光元件、准直元件、分光元件的中心点均位于同一光轴上。
作为优选，所述柱面透镜单元横截面的前端中心与后端中心相对应，所述柱面透镜单元横截面的前端中心与后端中心的连线为柱面透镜单元截面的中轴线，所述柱面透镜单元前后两端的线型以中轴线为轴作对称结构；
其中，所述柱面透镜单元前表面的半宽度与所述柱面透镜单元后表面的半宽度相同，所述半宽度的值为r/M。
作为优选，所述柱面透镜单元前表面的面型为自由曲面Ⅰ，平行光入射在所述柱面透镜单元前表面汇聚到一个焦点H上，所述焦点H位于柱面透镜单元内部，所述柱面透镜单元前表面的中心与所述焦点H之间的距离为L1；
所述柱面透镜单元前表面的预设数学模型为：
其中，
为所述柱面透镜单元前表面入射光线的单位矢量，i为入射光线的编号，从所述柱面透镜单元横截面的前端中心到所述柱面透镜单元横截面的前端边缘的次序为：1,…,i,…,N，N为所述准直光线在所述柱面透镜单元前表面被均匀分割的数量，
为所述柱面透镜单元前表面出射光线的单位矢量，kci为所述柱面透镜单元前表面法线的斜率，n0为空气的折射率，H为所述焦点，n1为透镜材料的折射率，W0为所述柱面透镜单元的半宽，Cyi为所述柱面透镜单元前表面的纵坐标，Czi为所述柱面透镜单元前表面的横坐标。
作为优选，所述柱面透镜单元后表面的面型为自由曲面Ⅱ，所述焦点H发散出来的一系列光线会以不同的方向入射在柱面透镜单元后表面，从柱面透镜单元前表面边缘处入射的光线会从柱面透镜单元前表面出射，所述柱面透镜单元后表面会将这些从不同方向入射的光线分别按照特定的方向出射在照射面上，在所述照射面上形成特定照度分布的矩形光斑；
所述柱面透镜单元后表面的预设数学模型为：
其中，Fi为所述柱面透镜单元后表面上的点，
为所述柱面透镜单元后表面入射光线的单位矢量，i为入射光线的编号(从所述柱面透镜单元后表面中心到所述柱面透镜单元后表面边缘的次序为：1,…,i,…,N)，N为所述柱面透镜单元后表面被分割的数量，FiHF0为所述柱面透镜单元中线段HFi与所述中轴线形成的夹角，
为所述柱面透镜单元后表面出射光线的单位矢量，L2为所述柱面透镜单元后表面的中心与照明面之间的距离，R为预设的照明面上圆形光斑的半径，n0为空气的折射率，n1为透镜材料的折射率，kFi为所述柱面透镜单元后表面法线的斜率，Fyi为所述柱面透镜单元后表面的纵坐标，Fzi为所述柱面透镜单元后表面的横坐标。
作为优选，一种LED光脉冲调制高效植物补光灯的使用方法，利用一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，具体包括以下步骤：
步骤S1：光线从发光元件的LED芯片处发出，入射到准直元件的准直透镜处，将LED芯片射出的光线转化为准直光，再入射到分光元件上；
步骤S2：准直光通过分光元件的柱面透镜单元前表面的作用后，将汇聚在柱面透镜单元的内部，并进一步发散到柱面透镜单元后表面上，通过柱面透镜单元后表面的作用，将光线分别以特定的方向出射到照射面上，形成一个近似矩形的光斑；
步骤S3：利用电机工作，驱使分光元件旋转，使照射面上的光斑也会随之转动，从而形成一个圆形的照度均匀区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过先准直后分光的策略实现对从LED发出的光在照射面上形成“两边强中间弱”的矩形光斑，在电机的带动下转动分光元件，可以在照射面上形成光照度均匀分布的圆形光斑，有利于植物在此灯具的照射下生长情况一致；分光元件采用双面自由曲面的设计结构，可以有效增大补光灯具的出射光线的发散角，增大照射面上的圆形光斑的面积；由于出射的光束只会在一个方向上进行发散，而与之垂直的另一个方向仍然因准直元件的作用而受到约束，从而保证了绝大部分的光都能够准确地入射在照射面上，避免了能量的浪费；根据菲涅尔反射原理，一部分的光线会在透镜表面发生反射，通过反光元件的安装，可以将这一部分的光继续进行反射，提升了补光灯具的光效。
附图说明
图1为LED光脉冲调制高效植物补光灯结构零件爆炸图；
图2为LED光脉冲调制高效植物补光灯结构示意图；
图3为LED光脉冲调制高效植物补光灯结构零件侧视图；
图4为LED光脉冲调制高效植物补光灯的分光元件的阵列单元结构示意图；
图5为LED光脉冲调制高效植物补光灯光路图；
图6为LED光脉冲调制高效植物补光灯光学系统的光照度分布图(静止)；
图7为LED光脉冲调制高效植物补光灯光学系统的光照度分布图(旋转)。
图中：1、发光元件；11、PCB板；12、LED芯片；13、电机；2、反光元件；21、圆孔；3、准直元件；31、准直透镜；4、分光元件；41、柱面透镜单元；411、柱面透镜单元前表面；412、柱面透镜单元后表面；413、中轴线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2和图3，一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，包括：发光元件1；
发光元件1是指PCB板11以及安装在PCB板11上的多组LED芯片12，PCB板11形状为半径为R的圆形，LED芯片12以环带结构均匀的排布在PCB板上，半径为r1
发光元件1的一侧壁设有准直元件3，准直元件3包括高透过率的PC材料制成的PC板以及多组准直透镜31，准直透镜31安装在PC板上，准直透镜31为全内透反射(TIR)式的准直透镜，准直透镜31的中心与LED芯片12的中心一一对应，PC板为半径为R的圆形；
LED为朗伯光源，其光强呈余弦式分布，光源的发散角约为120°；
发光元件1面向准直元件3的一侧设有反光元件2，反光元件2上设有环形分布的圆孔21，使准直元件3的准直透镜31穿过，反光元件2由高反材料构成，其涂附在所述发光元件1与准直元件3未重合的部分上；
准直元件3远离发光元件1的一侧安装有分光元件4，分光元件4与准直元件3的之间的距离为d，发光元件1上安装有电机13，电机13的输出轴与分光元件4连接；
分光元件4由高透过率的PMMA材料制成，分光元件4形状为半径为r的圆形；分光元件4由柱面透镜单元41组成，其前后表面均为自由曲面，呈线性阵列排布，共有M列；柱面透镜单元41横截面的前端中心与柱面透镜单元41横截面的后端中心相对应，前端中心与后端中心的连线为柱面透镜单元41截面的中轴线413，前后两端的线型以中轴线为轴作对称结构；柱面透镜单元前表面411的半宽度与柱面透镜单元后表面412的半宽度相同，半宽度的值为r/M(柱面透镜单元41两侧分别为柱面透镜单元前表面411与柱面透镜单元后表面412)；
发光元件1、准直元件3、分光元件4的中心点位于同一光轴上；
反光元件2中的圆孔21的中心以及准直元件3中的准直透镜31的中心均匀各自元件中心相距为r1；
请参阅图4、图5、图6和图7，柱面透镜单元前表面411的面型为自由曲面Ⅰ，若平行光入射在柱面透镜单元前表面411则会汇聚到一个焦点H上，焦点H位于柱面透镜单元41内部；柱面透镜单元前表面411的中心与焦点H的距离为L1；
柱面透镜单元前表面411的数学模型为：
其中，
为柱面透镜单元前表面411入射光线的单位矢量，i为入射光线的编号，从柱面透镜单元41横截面的前端中心到柱面透镜单元41横截面的前端边缘的次序为：1,…,i,…,N，N为准直光线在柱面透镜单元前表面411被均匀分割的数量，
为柱面透镜单元前表面411出射光线的单位矢量，kci为柱面透镜单元前表面411法线的斜率，n0为空气的折射率，H为焦点，n1为透镜材料的折射率，W0为柱面透镜单元41的半宽，Cyi为柱面透镜单元前表面411的纵坐标，Czi为柱面透镜单元前表面411的横坐标；
柱面透镜单元后表面412的面型为自由曲面Ⅱ，从焦点H发散出来的一系列光线会以不同的方向入射在柱面透镜单元后表面412，且从柱面透镜单元前表面411边缘处入射的光线会从柱面透镜单元前表面411出射；柱面透镜单元后表面412会将这些从不同方向入射的光线分别按照特定的方向出射在照射面上，并在照射面上形成特定照度分布的矩形光斑；
柱面透镜单元后表面412的数学模型为：
其中，Fi为柱面透镜单元后表面412上的点，
为柱面透镜单元后表面412入射光线的单位矢量，i为入射光线的编号(从柱面透镜单元后表面412中心到柱面透镜单元后表面412边缘的次序为：1,…,i,…,N)，N为柱面透镜单元后表面411被分割的数量，FiHF0为柱面透镜单元41中线段HFi与中轴线41形成的夹角，
为柱面透镜单元后表面412出射光线的单位矢量，L2为柱面透镜单元后表面412的中心与照明面之间的距离，R为预设的照明面上圆形光斑的半径，n0为空气的折射率，n1为透镜材料的折射率，kFi为柱面透镜单元后表面412法线的斜率，Fyi为柱面透镜单元后表面412的纵坐标，Fzi为柱面透镜单元后表面412的横坐标。
一种LED光脉冲调制高效植物补光灯的使用方法，利用一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，具体包括以下步骤：
当光线从LED芯片12发出后，其首先入射与其对应的全内透反射(TIR)式的准直透镜31，当光线传播到TIR式的准直透镜31的表面时，根据斯涅耳定律：n1*sinθ1＝n2*sinθ2(n1为入射介质的折射率，θ1为光线在界面上的入射角，n2为空气的折射率，θ2为光线在界面上的出射角)，其光线的传播路径会发生变化；因为TIR式的准直透镜31的特殊结构，发散角较小的光线可以通过透射的方式准直射出，发散角较大的光线则可以通过全反射的方式准直射出，从而可以最大程度的将LED出射的光线转化为准直光；
从准直元件3中出射的准直光进一步会入射到分光元件4上，分光元件4由多阵列柱面透镜单元41组成，当柱面透镜单元41的宽度较小时，则可以近似认为入射到单个柱面透镜单元前表面411的光线为准直均匀的光线，当光线通过柱面透镜单元前表面411的作用后，将汇聚在柱面透镜单元41的内部，并进一步发散到柱面透镜单元后表面412上，通过柱面透镜单元后表面412的作用，将光线分别以特定的方向出射到照射面上，形成一个近似矩形的光斑；在光斑的中心长轴上，其照度分布为：L＝|k|y(L为照射面上的光照度值，k为常数，y为光斑上的点到光斑中心的距离)，由此可见，其在照射面上形成的是中心暗两端亮的光斑；
电机13转轴带动分光元件4进行旋转，使照射面上的光斑也会随之转动，从而形成一个圆形的照明区域(当安装在电机13上的分光元件4被电机13带动转动时，照射面上的矩形光斑也会绕着中心进行转动，随着转动的速度逐渐增大，因为视觉停留的原因，照射面上的光斑便形成为圆形，经过光学软件分析可知，圆形光斑的光照度为均匀分布)。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，包括：设有LED芯片(12)的发光元件(1)以及设有准直透镜(31)的准直元件(3)，所述准直透镜(31)与LED芯片(12)相对应，其特征在于：所述补光灯还包括：
设置在发光元件(1)与准直元件(3)之间的反光元件(2)，用于对准直透镜(31)表面反射出的光线进行反射；
所述准直元件(3)远离发光元件(1)的一侧间隔设有分光元件(4)；
其中，所述分光元件(4)由多组呈线性阵列排布的柱面透镜单元(41)组成，所述柱面透镜单元(41)的两侧分别设有基于预设数据模型自由曲面的柱面透镜单元前表面(411)与柱面透镜单元后表面(412)；
所述发光元件(1)上设有电机(13)以驱动分光元件(4)旋转，形成光照度均匀分布的圆形光斑。
2.根据权利要求1所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述LED芯片(12)上设有PCB板(11)，所述LED芯片(12)有若干组，若干组所述LED芯片(12)呈环带状分布在PCB板(11)上；
其中，所述LED芯片(12)的光源为朗伯光源，所述LED芯片(12)光源的发散角为120°。
3.根据权利要求2所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述准直透镜(31)上设有PC板，所述准直透镜(31)有若干组，所述准直透镜(31)与LED芯片(12)一一对应；
其中，所述PC板是由高透过率的PC材料制成，所述准直透镜(31)为全内透反射式的准直透镜。
4.根据权利要求1所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述反光元件(2)上开设有圆孔(21)以使准直透镜(31)穿过。
5.根据权利要求1所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述柱面透镜单元(41)是由高透过率的PMMA材料制成，所述柱面透镜单元(41)共有M列。
6.根据权利要求1所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述发光元件(1)、反光元件(2)、准直元件(3)和分光元件(4)的外形均为半径为r的圆，所述发光元件(1)、准直元件(3)、分光元件(4)的中心点均位于同一光轴上。
7.根据权利要求6所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述柱面透镜单元(41)横截面的前端中心与后端中心相对应，所述柱面透镜单元(41)横截面的前端中心与后端中心的连线为柱面透镜单元(41)截面的中轴线(413)，所述柱面透镜单元(41)前后两端的线型以中轴线(413)为轴作对称结构；
其中，所述柱面透镜单元前表面(411)的半宽度与所述柱面透镜单元后表面(412)的半宽度相同，所述半宽度的值为r/M。
8.根据权利要求7所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述柱面透镜单元前表面(411)的面型为自由曲面Ⅰ，平行光入射在所述柱面透镜单元前表面(411)汇聚到一个焦点H上，所述焦点H位于柱面透镜单元(41)内部，所述柱面透镜单元前表面(411)的中心与所述焦点H之间的距离为L1；
所述柱面透镜单元前表面(411)的预设数学模型为：
其中，
为所述柱面透镜单元前表面(411)入射光线的单位矢量，i为入射光线的编号，从所述柱面透镜单元(41)横截面的前端中心到所述柱面透镜单元(41)横截面的前端边缘的次序为：1,…,i,…,N，N为所述准直光线在所述柱面透镜单元前表面(411)被均匀分割的数量，
为所述柱面透镜单元前表面(411)出射光线的单位矢量，kci为所述柱面透镜单元前表面(411)法线的斜率，n0为空气的折射率，H为所述焦点，n1为透镜材料的折射率，W0为所述柱面透镜单元(41)的半宽，Cyi为所述柱面透镜单元前表面(411)的纵坐标，Czi为所述柱面透镜单元前表面(411)的横坐标。
9.根据权利要求8所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：所述柱面透镜单元后表面(412)的面型为自由曲面Ⅱ，所述焦点H发散出来的一系列光线会以不同的方向入射在柱面透镜单元后表面(412)，从柱面透镜单元前表面(411)边缘处入射的光线会从柱面透镜单元前表面(411)出射，所述柱面透镜单元后表面(412)会将这些从不同方向入射的光线分别按照特定的方向出射在照射面上，在所述照射面上形成特定照度分布的矩形光斑；
所述柱面透镜单元后表面(412)的预设数学模型为：
其中，Fi为所述柱面透镜单元后表面(412)上的点，
为所述柱面透镜单元后表面(412)入射光线的单位矢量，i为入射光线的编号，N为所述柱面透镜单元后表面(411)被分割的数量，FiHF0为所述柱面透镜单元(41)中线段HFi与所述中轴线(41)形成的夹角，
为所述柱面透镜单元后表面(412)出射光线的单位矢量，L2为所述柱面透镜单元后表面(412)的中心与照明面之间的距离，R为预设的照明面上圆形光斑的半径，n0为空气的折射率，n1为透镜材料的折射率，kFi为所述柱面透镜单元后表面(412)法线的斜率，Fyi为所述柱面透镜单元后表面(412)的纵坐标，Fzi为所述柱面透镜单元后表面(412)的横坐标。
10.一种LED光脉冲调制高效植物补光灯的使用方法，利用权利要求1-9任一项所述的一种LED光脉冲调制高效植物补光灯，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：光线从发光元件(1)的LED芯片(12)处发出，入射到准直元件(3)的准直透镜(31)处，将LED芯片(12)射出的光线转化为准直光，再入射到分光元件(4)上；
步骤S2：准直光通过分光元件(4)的柱面透镜单元前表面(411)的作用后，将汇聚在柱面透镜单元(41)的内部，并进一步发散到柱面透镜单元后表面(412)上，通过柱面透镜单元后表面(412)的作用，将光线分别以特定的方向出射到照射面上，形成一个近似矩形的光斑；
步骤S3：利用电机(13)工作，驱使分光元件(4)旋转，使照射面上的光斑也会随之转动，从而形成一个圆形的照度均匀区域。
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