CN118066501A - 一种远场匀光照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远场匀光照明装置，包括光源(1)、反光杯(4)和环形棱镜(2)，所述环形棱镜(2)安装于所述反光杯(4)的内部，且与反光杯(4)的杯底连接，所述环形棱镜(2)包括中空部和折射面，所述光源(1)设置于所述中空部，且位于环形棱镜(2)的轴线上；所述反光杯(4)的内侧面为曲面反射面(5)，所述光源(1)辐射的所有光线中，一部分光线经所述折射面折射后入射至所述曲面反射面(5)，再经所述曲面反射面(5)反射后输出至照明目标面(7)，另一部分光线经所述中空部的光线输出端口直接输出至照明目标面(7)，且该两部分光线在照明目标面(7)的照射范围重合。本发明可以实现均匀照明且结构简单，能量利用率高，照明目标面的位置设置也更加灵活。

Description

一种远场匀光照明装置

技术领域

本发明属于照明光学设计技术领域，特别是涉及一种远场匀光照明装置。

背景技术

匀光照明装置被广泛应用于生产生活照明、光学加工、计算机视觉等领域，其配光结构的设计是照明光学领域的重点研究对象之一。

在照明光学领域，匀光照明系统包括了反射型、折射型和折反射组合型匀光照明系统。其中，折反射组合型匀光照明系统因具有能量利用率高、对光的控制能力强等特点而备受关注。如公开号为CN201902993U、名称为“一种新型LED照明光学透镜”的中国专利公开了一种折反射组合型匀光照明系统。但是，该系统中所有光线都需经过折射部分，小倾角光线和大倾角光线在各自对应的照明区域内分别形成匀光照明，最终在照明目标面上拼接形成照度均匀的光斑，该系统存在结构复杂、色散明显和热效应显著等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远场匀光照明装置，用于解决现有折反射组合型匀光照明系统存在的结构复杂、色散明显和热效应显著的问题。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种远场匀光照明装置，包括光源、反光杯和环形棱镜，所述环形棱镜安装于所述反光杯的内部，且与反光杯的杯底连接，所述环形棱镜包括中空部和折射面，所述光源设置于所述中空部，且位于环形棱镜的轴线上。

所述反光杯的内侧面为曲面反射面，所述光源辐射的所有光线中，一部分光线经所述折射面折射后入射至所述曲面反射面，再经所述曲面反射面反射后输出至照明目标面，另一部分光线经所述中空部的光线输出端口直接输出至照明目标面，且该两部分光线在照明目标面的照射范围重合。

在本方案中，光源发出的一部分光线与轴线的夹角较小，因此不经过环形棱镜，而是直接传输至照明目标面，这部分光线为小倾角光线。光源发出的其它光线与轴线夹角较大，为大倾角光线，经过环形棱镜折射后传输至曲面反射面，再由曲面反射面反射形成反射光线。反射光线与小倾角光线在照明目标面上的照射范围重合，形成的照度分布互补，从而在照明目标面上叠加形成匀光照明的效果。

由于小倾角光线没有经过折射，不会产生色散现象和热效应，因此能够降低装置整体的色散和发热。同时，环形棱镜和反光杯的轴线与光轴重合，反射光线与光轴同侧的小倾角光线叠加，入射在照射范围内每一处的反射光线和小倾角光线的方向接近，因此从该装置出射的光束可以实现长距离传输而保持能量分布均匀性的稳定。本申请通过一个环形棱镜与反光杯配合，可以达到远距离匀光照明的效果，具有结构简单便于加工的优点。

需要说明的是，照明目标面是指根据照明装置额定照射距离或额定照度设置的一个平面，所述照明目标面与光轴垂直。照明装置照射到照明目标面上的效果为照明装置的最佳照明效果。以本发明为例，匀光照明装置照射到照明目标面上形成的光斑最均匀，同时小倾角光线与反射光线的照射范围完全重合。

优选的，所述环形棱镜的光线输出端口直径小于与反光杯连接的连接端口的直径，所述折射面包括第一折射面和第二折射面，所述第一折射面为环形棱镜的内侧面，所述第二折射面为环形棱镜的外侧面，所述一部分光线先经所述第一折射面折射后入射至所述第二折射面，经所述第二折射面折射后再入射至所述曲面反射面。

在本方案中，环形棱镜提供两个折射面，将大倾角光线两次折射以偏折其方向，压缩其空间分布范围，从而可以减小曲面反射面的尺寸，继而实现装置的小型化。

优选的，所述第一折射面为圆柱形面。

在本方案中，第一折射面设置为圆柱形面，更便于计算大倾角光线的入射角度和折射路径，使后续的环形棱镜第二折射面和曲面反射面设计更为简单。同时，圆柱形面也更便于加工，降低加工成本。

优选的，所述环形棱镜与反光杯的杯底连接的端面为连接面，所述连接面与所述第一折射面相垂直。

在本方案中，第一折射面与连接面相垂直，大倾角光线从第一折射面进入环形棱镜后，不会传输至连接面，而是全部都可以从第二折射面折射出。所以，该装置能有效收集并利用光源辐射的所有光线，能量利用率高。

一种实施方式下，所述第二折射面为平面。

另一种更优的实施方式下，所述第二折射面为锯齿面，所述锯齿面包括间隔设置的至少两个折射部和至少一个过渡部，所述一部分光线先经所述第一折射面折射后入射至所述第二折射面的折射部，经所述第二折射面的折射部折射后再入射至所述曲面反射面。本方案中，通过将第二折射面设置为锯齿面，使得大倾角光线从第二折射面折射出时，出射的位置与曲面反射面的间距更短，也即在到达曲面反射面之前大倾角光线的行程尽可能短。这样，在照明范围相同的情况下，曲面反射面也即反光杯的尺寸可以更小，继而更便于实现整个照明装置的小型化和轻量化。

作为一种可实施方式，所述环形棱镜由至少两个折射单元拼叠形成中空的宝塔状结构，沿反光杯的照射方向，相邻折射单元的最大直径递减，所有折射单元的外侧面形成所述第二折射面。

在本方案中，折射单元的直径递减，可以避免折射单元出现在反射光线的路径上造成阻挡。若反射光线照射到折射单元上，则会被折射单元再次折射而改变行进方向，影响光照的均匀性，造成能量的浪费。

优选的，沿反光杯的照射方向，各个折射单元的轴向尺寸递减。

优选的，所述光源为LED灯。

所述中空部贯穿环形棱镜的光线输出端口和与反光杯连接的连接端口，所述光源设置于所述反光杯的底部。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过环形棱镜和反光杯提供的曲面反射面产生均匀照明效果。经过环形棱镜的折射，使得大倾角光线在被曲面反射面反射后可以与光轴同侧的小倾角光线在照射范围内互补叠加，实现匀光照明。并且入射在照射范围内每一处的由曲面反射面形成的反射光线和未经环形棱镜的小倾角光线之间的夹角相比现有技术中的更小，使得出射光束横截面内能量分布的均匀性在长距离传输中能够保持稳定。因此照明目标面的位置设置更加灵活，既可设置在极远处，也可设置在所述曲面反射面出光端面附近，从而能够满足多种照明需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为实施例一中远场匀光照明装置的剖视图；

图2为实施例一中远场匀光照明装置的光线传播示意图；

图3为实施例一中提供的环形棱镜剖视图；

图4为实施例一中各参数示意图；

图5为实施例二中远场匀光照明装置的剖视图；

图6为实施例二中远场匀光照明装置的光线传播示意图；

图7为实施例二中环形棱镜剖视图；

图8为实施例二中各参数示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、光源；2、环形棱镜；3、大倾角光线；4、反光杯；5、曲面反射面；6、反射光线；7、照明目标面；8、小倾角光线；20、连接面；221、第一折射面；22、第二折射面；221、折射部；222、过渡部。

具体实施方式

下面结合附图，通过本发明实施例的具体实现方式，对本发明技术方案进行清楚、完整地说明。

实施例一

请参阅图1所示，本实施例一提供的一种远场匀光照明装置，包括反光杯4、环形棱镜2和光源1，反光杯4的内侧面为曲面反射面5，其面型为自由曲面，用于反射由环形棱镜2折射的光线。环形棱镜2和光源1均安装于反光杯4的杯底，杯底有开孔以便为光源1安装散热器，以及以使为光源1供电的电源线通过，环形棱镜2与反光杯4同轴，光源1设置于环形棱镜2的轴线上。光源1产生的光线朝向反光杯4的出光端传输，远场匀光照明装置的光轴与反光杯4的轴线同轴。

如图2所示，光源1辐射的光线中，部分光线会经过环形棱镜2折射后传输至曲面反射面5，这部分光线与光轴的夹角较大，定义为大倾角光线3；另一部分光线从环形棱镜2的中空部直接出射，不会被环形棱镜2折射，这部分光线与光轴的夹角小，定义为小倾角光线8。也就是说，光源1辐射的光线中被环形棱镜2折射后传输至曲面反射面5的光线定义为大倾角光线3，未被环形棱镜2折射而直接出射的光线定义为小倾角光线8。为了便于区分，图2中将大倾角光线3(包括对应的反射光线6)用虚线表示，将小倾角光线8用实线表示。大倾角光线3均会被环形棱镜2折射至曲面反射面5，并在曲面反射面5上形成反射光线6，反射光线6在照明目标面7上的照射范围与小倾角光线8在照明目标面7上的照射范围重合。也就是说，反射光线6与光轴同侧的小倾角光线8照明范围完全重叠，形成的照度分布互补，二者叠加后在照明目标面7上形成照度均匀的光斑。由于小倾角光线8没有经过折射，因此不会出现色散与损耗。

如图3所示，将环形棱镜2面向照明目标面7的端口称为光线输出端口，将环形棱镜2与反光杯4连接的一端称为连接端口，光线输出端口的直径小于连接端口的直径，这样可以使得环形棱镜2提供两个折射面，且两个折射面不平行，因此通过两次折射可以更好地改变光线传输方向，继而更有利于实现压缩从环形棱镜2出射的光线的空间分布范围，进而缩小反光杯4的尺寸。

如图3所示，环形棱镜2的剖面形状为三角形，三角形的三条边分别对应环形棱镜2的内侧面、外侧面和与反光杯4连接的连接面20。容易理解地，环形棱镜2的剖面形状也可以为梯形，其中的三条边也分别对应环形棱镜2的内侧面、外侧面和与反光杯4连接的连接面20。环形棱镜2的内侧面作为第一折射面221，外侧面作为第二折射面22。连接面20的作用是与反光杯4的杯底连接，连接方式可以是通过粘接的方式，也可以在杯底设置环形卡槽，将环形棱镜2通过卡紧固定的方式固定于卡槽内。

如图3所示，环形棱镜2设置有中空部，光源1位于环形棱镜2的中空部，中空部可以贯穿环形棱镜2的光线输出端口和连接端口，此时光源1设置于反光杯4的底部，位于中空部；环形棱镜2的连接端口也可以是封闭的，此时光源1设置于环形棱镜2的底部，且位于中空部。光源1发出的一部分光线会照射到环形棱镜2的第一折射面221上，而另一部分光线则直接从环形棱镜2的光线输出端口射出。照射到第一折射面221上的光线也就是大倾角光线3，这部分的光线经过环形棱镜2的折射后传输至曲面反射面5。可参阅图2，大倾角光线3进入第一折射面221时经过第一次折射，然后在环形棱镜2内部传输至第二折射面22，经过第二折射面22的第二次折射，从第二折射面22进入空气中，再传输至曲面反射面5。经两次折射后，大倾角光线3的角度发生变化，传输至曲面反射面5后，在曲面反射面5形成反射光线6。在照明目标面7上，反射光线6与小倾角光线8的照明范围完全重合。大倾角光线3的倾斜角越大，照射在曲面反光镜5上的位置离光轴越近，产生的反射光线6在照明目标面7上的落点与光轴的间距越近。大倾角光线3最大的倾斜角度为90°，对应的反射光线6在照明目标面7上的落点刚好位于光轴上。反之，大倾角光线3的倾斜角越小，对应的反射光线6在照明目标面7上的落点离光轴越远。大倾角光线3与小倾角光线8由环形棱镜2进行区分，倾斜角最小的大倾角光线3，对应的反射光线6在照明目标面7上的落点与光轴间距最大。同时，倾斜角最大的小倾角光线8与倾斜角最小的大倾角光线3在照明目标面7上对应的落点相同，位于照明区域的边缘。也就是说，小倾角光线8与反射光线6在照明目标面7上形成的照射范围完全相同，形成的照度分布互补，从而实现均匀的照明效果。

需要说明的是，大倾角光线3和小倾角光线8的倾斜角均指其从光源1辐射出时各自与光轴的夹角。

可参阅图2，大倾角光线3与其所对应的反射光线6始终位于光轴同侧，反射光线6在照明目标面7前不会越过光轴；同时，反射光线6与小倾角光线8的照射范围相同，它们在照明目标面7上对应的落点相同，形成的照度分布互补，因此反射光线6相对于光轴的倾斜角度受到约束，使得在照明目标面7上对应落点相同的反射光线6与小倾角光线8的倾斜角度非常接近。所以，本实施例一的匀光照明装置中反射光线6与小倾角光线8的发散程度基本相同，使远场匀光照明装置出射光束横截面内的能量分布的均匀性，也就是照度均匀性在传输过程中得以保持。这样，照明目标面7的位置设置更加灵活，无论设置在极远处，还是在远场匀光照明装置出光端面附近，均能获得均匀照明效果。

可参阅图1，连接面20可以为环形平面，将连接面20设置为环形平面，便于与反光杯4连接。同时，将20第一折射面221设置为圆柱形面，第一折射面221与连接面20相垂直，大倾角光线3从第一折射面221进入环形棱镜2后，不会传输至连接面20，而是全部都可以从第二折射面22折射出。

光源可以采用LED灯，也可以采用节能灯、白炽灯等作为光源。光源设置于连接面20的中心。

在设计环形棱镜2和反光杯4的结构时，记光源1的法向光强为I₀，照明目标面7垂直于光源法线，与光源1相距为d，如图4所示。计入环形棱镜2和自由曲面反射器4的吸收损耗，大倾斜角光线3的能量利用率记为T。若要求在照明目标面7上半径为R的圆形区域内形成照度为E₀的均匀照明，则有

根据上式即可计算出照明目标区域半径R的数值，从而确定大倾角光线3与小倾角光线8的分界角

需要注意的是，根据光通量守恒定律，为实现均匀照明，圆形照明区域的半径必须满足

因而分界角必须满足

设计时，先选定环形棱镜2顶角α和内侧面即第一折射面221的半径R₁，为使大倾角光线3恰被环形棱镜2折射，环形棱镜2沿系统光轴方向的长度为

l＝R₁/tanθ₀， (5)

环形棱镜2的外侧面即第二折射面22的最大半径为

R₂＝R₁ tanα/tanθ₀。 (6)

环形棱镜2的结构确定之后，开始设计反光杯4。反光杯4内表面为一自由曲面反射面5，曲面反射面5的底部半径等于环形棱镜2外侧面最大半径R₂。在曲面反射面5的具体面型设计过程中，必须保证倾斜角为θ的大倾角光线3先经环形棱镜2折射、再经曲面反射面5反射后到达照明目标面7上的r处，以与入射到此位置的倾斜角为的小倾角光线8叠加，实现匀光照明，见图2。其中，θ、r和/>必须满足

和

实施例二

本实施例二提供一种远场匀光照明装置，与实施例一不同的是，本实施例二中的环形棱镜2的结构不同。

实施例一中，如图3所示，环形棱镜2的第二折射面22为平面；本实施例二中，如图5和6所示，环形棱镜2的第二折射面22为锯齿面，此时可以理解为环形棱镜2为带中空部的菲涅尔结构。

如图7所示，此时的第二折射面22由至少两个折射部221和过渡部222组成，折射部221与过渡部222间隔设置，由折射部221对光线进行折射，即大倾角光线3经第一折射面221折射后入射至第二折射面22的折射部221，经折射部221折射后入射至曲面反射面5。

实现第二折射面22为锯齿面的方式有多种。例如，可以在图3所示结构的第二折射面上开设若干个三角形槽，开槽后即可形成锯齿面。又例如，可以将多个折射单元拼叠形成中空的宝塔状结构，每个折射单元采用类似于图3所示环形棱镜的结构，且沿反光杯4的照射方向，相邻折射单元的最大直径递减，每个折射单元的外侧面即为一个折射部，(与反光杯连接的折射单元除外)每个折射单元的连接面即为过渡部。需要注意的是，此时每个折射单元的中空部都需要贯穿光线输出端口和连接端口。

如图2和图6所示，图2中的环形棱镜2与图6中环形棱镜2的轴向长度相同，并且在照明目标面7上形成的光斑尺寸相同，但由于本实施例二中采用了锯齿状结构的第二折射面22，可以减小环形棱镜连接面20的外径，进而减小反光杯4的杯底口径，所以图6中反光杯4比图2中反光杯4的尺寸更小。这是因为，与实施例一相比，本实施例二的大倾角光线3从折射单元的外侧面(即折射部)上折射出时，折射部221与光轴的平均间距更小，大倾角光线3折射出的位置与光轴的距离更近，大倾角光线3折射后分布的区域更小。在环形棱镜2的轴向尺寸相同，并且照明目标面7上形成光斑的尺寸相同的情况下，曲面反射面5的尺寸可以更小。所以，采用本实施例二的菲涅尔结构的环形棱镜，可以减小整个远场匀光照明装置的尺寸，使整个远场匀光照明装置小型化，同时，环形棱镜整体厚度变小，可以降低系统的色散和热效应。

以朝向照明目标面7的方向为正向，远离照明目标面7的方向为反向。沿正向方向上，折射单元的最大直径逐渐减小。倾斜角最大的大倾角光线3对应的反射光线6会在照明目标面7上与光轴相交，因此，逐渐减小折射单元的最大直径，可以避免折射单元对反射光线6造成阻挡。

在设计环形棱镜2和反光杯4的结构时，照明目标区域半径R、大倾角光线3与小倾角光线8的分界角θ₀、环形棱镜2顶角α及其内侧面即第一折射面221的半径R₁、沿系统光轴方向的总长度l等参数的确定方法与实施例一完全相同。

但本实施例二中，环形棱镜2由多个折射单元构成，每个折射单元的最大半径R₂₁、R₂₂、……各不相同，但除靠近光线输出端口的折射单元外，其余折射单元最小半径R₂₀都是相同的，具体参考图8。其中，从与反光杯4连接的折射单元开始，直到靠近光线输出端口的折射单元，它们的最大半径依次递减形成一等差数列，具体为

R₂₁-R₂₂＝R₂₂-R₂₃＝…＝d， (9)

其中d的选择以恰好让倾斜角最大的大倾角光线3所对应的反射光线无遮挡通过为准。

每个折射部221沿光轴方向的纵向长度l₁、l₂、……各不相同，除靠近光线输出端口的折射单元外，其余折射单元折射部221沿光轴方向的纵向长度需满足

靠近光线输出端口的折射部221由倾斜角为θ₀的大倾角光线3经第一折射面221折射后的折射光线所截断，其沿光轴的纵向长度也随之确定。

环形棱镜2中的每个过渡部222与经过对应位置的折射光线重合。

环形棱镜2的结构确定之后，反光杯4的设计过程与实施例一相同。只是由于本实施例二中的环形棱镜2具有特殊结构，所以本实施例二所设计的反光杯4比实施例一中的反光杯4更加小型化。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种远场匀光照明装置，其特征在于：包括光源(1)、反光杯(4)和环形棱镜(2)，所述环形棱镜(2)安装于所述反光杯(4)的内部，且与反光杯(4)的杯底连接，所述环形棱镜(2)包括中空部和折射面，所述光源(1)设置于所述中空部，且位于环形棱镜(2)的轴线上；

所述反光杯(4)的内侧面为曲面反射面(5)，所述光源(1)辐射的所有光线中，一部分光线经所述折射面折射后入射至所述曲面反射面(5)，经所述曲面反射面(5)反射后输出至照明目标面(7)，另一部分光线经所述中空部的光线输出端口直接输出至照明目标面(7)，且该两部分光线在照明目标面(7)的照射范围重合。

2.根据权利要求1所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述环形棱镜(2)的光线输出端口直径小于与反光杯(4)连接的连接端口的直径，所述折射面包括第一折射面(221)和第二折射面(22)，所述第一折射面(221)为环形棱镜(2)的内侧面，所述第二折射面(22)为环形棱镜(2)的外侧面，所述一部分光线先经所述第一折射面(221)折射后入射至所述第二折射面(22)，经所述第二折射面(22)折射后再入射至所述曲面反射面(5)。

3.根据权利要求2所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述第一折射面(221)为圆柱形面。

4.根据权利要求3所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述环形棱镜(2)与反光杯(4)的杯底连接的端面为连接面(20)，所述连接面(20)与所述第一折射面(221)相垂直。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述第二折射面(22)为平面。

6.根据权利要求2-4任一项所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述第二折射面(22)为锯齿面，所述锯齿面包括间隔设置的至少两个折射部和过渡部，所述一部分光线先经所述第一折射面(221)折射后入射至所述第二折射面(22)的折射部，经所述第二折射面(22)的折射部折射后再入射至所述曲面反射面(5)。

7.根据权利要求6所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述环形棱镜(2)由至少两个折射单元拼叠形成中空的宝塔状结构，沿反光杯(4)的照射方向，相邻折射单元的最大直径递减，每个折射单元的外侧面为所述折射部。

8.根据权利要求7所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：沿反光杯(4)的照射方向，各个折射单元的轴向尺寸递减。

9.根据权利要求1所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述光源为LED灯。

10.根据权利要求1所述的一种远场匀光照明装置，其特征在于：所述中空部贯穿环形棱镜(2)的光线输出端口和与反光杯(4)连接的连接端口，所述光源(1)设置于所述反光杯(4)的底部。