CN209484499U - 一种光控制元件及光源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光控制元件，由透明材料制成，所述光控制元件包括透光部、反光部、以及折光部。所述透光部包括内曲面、外曲面以及连接内曲面与外曲面的底平面；所述反光部包括反光曲面、内平面和顶平面，所述反光曲面连接内平面和顶平面；所述折光部设置于所述外曲面邻近反光部侧，所述内平面和内曲面连接并形成凹空间，外曲面经折光部与顶平面连接。本实用新型还提供了使用光控制元件的光源装置。

Description

一种光控制元件及光源装置

技术领域

本实用新型涉及照明技术领域，具体而言，涉及一种光控制元件以及应用光控制元件的光源装置。

背景技术

自从白炽灯商用以来，照明技术极大的方便了人们的生活，随着能源消耗，技术一直向着节能的方向发展，白炽灯之后相继有冷阴极灯管、LED，这些都是突破性的技术发展；然而对于日常生活中，普通室内外照明应用情形各不相同，可以根据应用场景采取节能措施：例如，日常室内照明需要点亮较大空间，因此是全角度的照明，但对于书房台灯来讲，因实际使用人仅在灯的一侧，相对一侧的并不需要照明，若依然采用普通全角度照明则造成浪费，因此可以考虑对光源的光进行重新分配，使其朝向一侧发光，进而增加光的利用率，实现节能效果。同样的，对于设置在路边的路灯来讲，仅需要照亮道路一侧，另一侧则无需点亮，若可以将发光源的光朝向一侧照明，同样可节省能源；类似的还有壁灯等情形，均可采取类似手段实现节能。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光控制元件，所述光控制元件用于调制光源所发出的光的分布，提高光的利用率。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光控制元件，所述光控制元件由透明材料制成，包括透光部、反光部以及折光部，所述透光部包括内曲面、外曲面以及连接内曲面与外曲面的底平面；所述反光部包括反光曲面、内平面和顶平面；所述折光部设置于所述外曲面邻近反光部侧，所述反光曲面连接内平面和顶平面；所述内平面和内曲面连接并形成凹空间，外曲面与顶平面连接。

进一步地，所述折光部包括折光面与连接面，折光面相较于外曲面具有一夹角α，连接面连接折光面与外曲面。

进一步地，所述折光面相对于外曲面的夹角α的范围为25°-50°。

进一步地，所述内平面与所述内曲面所形成的凹空间为1/4球。

进一步地，所述外曲面包括两凸部曲面和连接两凸部曲面的凹部曲面。

进一步地，所述两凸部曲面和凹部曲面关于凹部曲面中截面镜像对称。

进一步地，所述反光曲面由三次曲线延展形成，所述三次曲线由如下表达式描述：y=ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，且3ac-b^2>0。

进一步地，所述反光部在三次曲线y=ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，曲线截面的宽度为w，高度为h，且1.8<h/w<2，曲线末端斜率k满足3<|k|<4.8。

进一步地，所述反光曲面由三次曲线沿垂直于三次曲线所在平面的直线延展形成。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了光源装置，包括至少一个发光元件，至少一个如上所述的光控制元件，所述发光元件设置于所述光控制元件的凹空间内。

进一步地，所述至少一个发光元件与至少一个光控制元件为一个，或多个发光元件与多个光控制元件排列成线，或多个发光元件与多个光控制元件排列成面。

进一步地，所述折光部位于光源10°-30°的发光角范围内。

本实用新型提供的上述光控制元件，将光源发出的光朝向一侧面调制，对于仅需要照明一侧的光源来讲可以大大提高光的利用率，实现节能减排的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型一种实施方式中的光控制元件的结构示意图；

图2a-2b示出了根据图1中光控制元件A-A方向的截面图；

图3示出了根据图1中光控制元件B-B方向的截面图

图4a示出了根据本实用新型光控制元件的光分布模拟图；

图4b示出了根据图4a光控制元件的在平面内的光强度分布图；

图5示出了根据本实用新型另一种实施方式中的面状光控制元件的结构示意图；

图6示出了根据本实用新型另一实施例部分光控制元件示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10光控制元件、20发光元件、100透光部、200反光部、300折光部、400基座、101内曲面、102外曲面、103底平面、1021凸部曲面、1022凹部曲面、123凹空间、201反光曲面（三次曲线）、202内平面、203顶平面、301折光面、302连接面、10'面状光控制元件、10''条状光控制元件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中的照明装置仍可根据应用场合通过采用特定光控制元件来提高光的利用率，为实现节能减排的目的。

本实用新型提供的光控制元件中，通过对光控制元件的表面进行设计，使发光元件射向非使用方向的一部分光反射至使用区域，朝向特定方向出射，提高光的利用率，从而达到较佳的节能减排效果。

请参考图1，图2a-2b，图3所示为本实用新型光控制元件的一般实施例结构示意图，为了叙述方便，图中一并显示了发光元件。请参考图1，为光控制元件的立体视图，光控制元件10包括透光部100、反光部200和折光部300，透光部100外表面为连续曲面，图中线条仅为表现其曲面弯曲方向。图2a-2b为根据图1中A-A方向截面图，请参考图2a，透光部100包括内曲面101，外曲面102及底平面103，底平面103连接内曲面101和外曲面102；反光部200包括反光曲面201，内平面202及顶平面203，所述内平面202与内曲面101形成凹空间123，发光元件20位于凹空间123内；折光部300设置于外曲面102邻近反光部200侧，其包括折光面301与连接面302，连接面302连接折光面301与外曲面102。请参考图2a-2b，折光部300设置于外曲面102邻近反光部200侧，具体来说，折光部300为了更好的调整出光分布而设计，光源20设置于凹空间123内，以光源20发光中心为起始，向反光部200一侧的13°（图2b中所示θ1）-27°（图2b中所示θ2）范围内的外曲面102上设置折光部300，折光部300的折光面301相对于外曲面102具有25°-55°（图2b中所示α）夹角。图3为图1中B-B方向截面图，请参考图3，透光部100的外曲面102包括两凸部曲面1021和凹部曲面1022，凸部曲面1021与凹部曲面1022关于凹部曲面1022的中截面M-M镜像对称，如图中所示，中截面M-M垂直于纸面/屏幕。

请参考图1-3，可将图2a-2b视为截面处的光控制元件10投影至yoz平面（图1所述坐标系）所形成的图像，所述反光曲面201在yoz平面内投影为一曲线201（为使图中标注显示清晰，截面处曲线与反光曲面作同一标记201），即反光曲面201是通过将曲线201沿平行于x轴的直线延展形成。所述透光部100将发光元件20所发出的一部分光经内曲面101和外曲面102的折射后均匀的导向一侧，发光元件20发出的另一部分光则经过内平面202进入反光部200，再经反光曲面201将光线向着透光部出射方向反射出去。反光曲面201即成为光控制元件10是否能实现所需分布效果的关键。实用新型人经过不断研究发现将所述曲线201设计为三次曲线时有较佳的效果，再将三次曲线平移即可得到反光曲面。所述三次曲线可表达为：y=ax^3+bx^2+cx+d（虽然前述反光曲面201投影至图1的yoz为曲线201，若在yoz平面描述则应采用yz变量；但变量的选用并不会改变曲线的样态，因此这里为符合表述习惯采用了xy变量，请勿将此处的xy变量与图1中xoy平面混淆），如图所示，曲线201低点从y|_x=-b/3a开始，即曲线201低点的斜率为c，且0.9<|c|<1.2，另外关于a，b的取值则受限于实际应用中光控制元件的尺寸取值，尺寸不同导致a，b取值变化很大，但实用新型人在研究过程中发现，曲线201则x多次项变量系数满足3ac-b^2>0；从另一角度来看，实用新型人研究多条曲线201（y=ax^3+bx^2+cx+d，0.9<|c|<1.2）形式发现，当所述曲线201宽度为w，高度为h，且1.8<h/w<2，曲线末端斜率k满足3<|k|<4.8时也满足设计要求。

光控制元件10的设计初衷即将光线尽可能向上（相对图2b中而言）且向右侧（相对于图2b中光源20发光中心而言）布局，光源20发出的左侧（相对图2a中而言，本段文字的上下左右仅限于相对于图2a-2b所言）的大角度光大部分可经过反光部200反射向右侧，而光源20发出的左侧部分小角度的光因从内曲面101经外曲面102而直接向左上射出，未能充分利用。对此实用新型人潜心研究，在外曲面102邻近反光部200侧设置折光部300，折光部300设置于光源20发光角10°-30°范围内，且折光面301相对于外曲面102具有25°-50°的夹角,在设计折光面301相对于外曲面102的夹角时，实用新型人综合考量了光控制元件材质的折射率、折光部300相对于光源的位置、以及内曲面101曲面切面的角度才得出夹角范围。请参考图4a，为本实用新型光控制元件的模拟图，图中虚线椭圆所圈示的部分即为折光部300对光源部分小角度的折光作用，很好的将该部分光向右上折射。图4b为图4a中光线角度分布图，图5为图4a中模拟的等照度图，图6为图4a中的伪色图，从图5-6中可看出，光控制元件10对光形控制效果好，形成较方正的光斑，且光照度集中于右侧。

图5-6为根据本实用新型实施例在不同应用领域中的多种形态，图5为需要大面积照明的情形，采用阵列式的光控制元件，或者小面积一些的照明需求可选择如图6条所示条形光控制元件，应用于采用多颗点光源形成的条状光源的情形，如将图1中光控制元件沿X方向或Y方向一维排列多颗光控制元件，图6所示为沿Y方向，同理可沿X方向排列（不再附图赘述）。图5-6仅为简单举例，如将本实用新型的光控制元件10通过重复排列形成的其他形状的光控制元件也为本实用新型保护范围，此处不再重复举例。

反光曲面201的基础曲线的设计，可参考本公司公开号CN108758563A所述内容。

实施例一：

根据本实施例中曲线201的设计的光控制元件进行模拟的光分布情况，本实施例中曲线201的表达式为y=0.1072x^3-0.0314x^2+1.12x-0.0288。

当x取值范围为0≤x≤3，于此对应的y的范围为-0.288≤y≤5.9426，即曲线宽度w=3，曲线高度h=5.9714。

对y关于x进行求导，y'|_x=3=3.826，即曲线末端斜率k=3.826。

实施例二：

根据本实施例中曲线201的设计的光控制元件进行模拟的光分布情况，本实施例中曲线201的表达式为y=0.0072x^3-0.0055x^2+0.9994x-0.1115。

当x取值范围为0≤x≤12，于此对应的y的范围为-0.1115≤y≤23.5309，即曲线宽度w=12，曲线高度h=23.6424。

对y关于x进行求导，y'|_x=12=3.9778，即曲线末端斜率k=3.9778。

实施例三：

根据本实施例中曲线201的设计的光控制元件进行模拟的光分布情况，本实施例中曲线201的表达式为y=0.00003x^3-0.0003x^2+0.94x-1.779。

当x取值范围0≤x≤190，于此对应的y的范围为-1.779≤y≤371.761，即曲线宽度w=190，曲线高度h=363.54。

对y关于x进行求导，y'|_x=190=4.075，即曲线末端斜率k=4.075。

从以上实施例可以看出，本实用新型设计的光控制元件可以将一般光源的光调整控制到一侧，提高光的利用率，在不增加光源的前提下提高亮度，并且可以通过对反射曲面的调整来实现不同的光场分布，以达到不同的使用需要。

根据本实用新型的一实施例，将面状光控制元件应用至实际生活中，例如壁灯。壁灯设置于墙壁上，照亮墙壁，同时可实现墙壁外侧道路面的照明。对于墙壁一侧来说，只要照亮即可，过多的光通量照向墙壁会造成浪费。从图4a可以看出在增加了折光结构后，折光面对光源部分小角度光具有明显的控制效果，使得原本射向墙壁一侧的部分光折射向道路一侧，。根据本实用新型的光控制元件可以实现Type IV (MEDIUM)光斑分布的要求。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种光控制元件，由透明材料制成，其特征在于，所述光控制元件包括透光部、反光部、以及折光部，所述透光部包括内曲面、外曲面以及连接内曲面与外曲面的底平面；所述反光部包括反光曲面、内平面和顶平面；所述折光部设置于所述外曲面邻近反光部侧，所述反光曲面连接内平面和顶平面；所述内平面和内曲面连接并形成凹空间，外曲面与顶平面连接。

2.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，所述折光部包括折光面与连接面，折光面相较于外曲面具有一夹角α，连接面连接折光面与外曲面。

3.根据权利要求2所述的光控制元件，其特征在于，所述折光面相对于外曲面的夹角α的范围为25°-50°。

4.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，所述内平面与所述内曲面所形成的凹空间为1/4球。

5.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，所述外曲面包括两凸部曲面和连接两凸部曲面的凹部曲面。

6.根据权利要求5所述的光控制元件，其特征在于，所述两凸部曲面和凹部曲面关于凹部曲面中截面镜像对称。

7.根据权利要求1所述的光控制元件，其特征在于，所述反光曲面由三次曲线延展形成。

8.根据权利要求7所述的光控制元件，其特征在于，所述三次曲线由如下表达式描述：y＝ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，且3ac-b^2>0。

9.根据权利要求7所述的光控制元件，其特征在于，所述反光部在三次曲线表述为y＝ax^3+bx^2+cx+d，其中，0.9<|c|<1.2，曲线截面的宽度为w，高度为h，且1.8<h/w<2，曲线末端斜率k满足3<|k|<4.8。

10.根据权利要求7或8或9所述的光控制元件，其特征在于，所述反光曲面由三次曲线沿垂直于三次曲线所在平面的直线延展形成。

11.一种光源装置，包括至少一个发光元件，其特征在于，还包括至少一个如权利要求1-8任意一项所述的光控制元件，所述发光元件设置于所述光控制元件的凹空间内。

12.根据权利要求11所述的光源装置，其特征在于，所述至少一个发光元件与至少一个光控制元件为一个，或多个发光元件与多个光控制元件排列成线，或多个发光元件与多个光控制元件排列成面。

13.根据权利要求11所述的光源装置，其特征在于，所述折光部位于光源10°-30°的发光角范围内。