CN219571719U - 采光聚光匀光一体化透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采光聚光匀光一体化透镜，包括向外凸起的入光层，向内凹陷的出光层，入光层具有光滑的外表面，出光层上设有n个独立均布的折射和反射体，n等于大于5。该透镜可实现采光、聚光、漫射匀光一体化；水平和低角度照射光透射率高；匀光效果好。可广泛用于日光采照和其它杂乱光源的聚光均光场所。

Description

采光聚光匀光一体化透镜

技术领域

本实用新型涉及光学元件，特别是用于导光照明系统的采光、聚光、匀光一体化透镜和提高低角度光利用率的技术。

背景技术

对自然光进行采集照明是一项既有利于健康又节能减排的方式。现有导光管采光系统主要分以下三大部分：一是，采光区：利用透射和折射的原理通过室外的采光装置高效采集太阳光并将其导入系统内部；二是，传输区：对导光管内部进行反光处理，以保证光线的传输距离更长、更高效；三是，匀光漫射区：由匀光漫射器将比较集中或带有光斑的自然光均匀、大面积地照到室内需要光线的地方。

经过大量专利检索、文献检索（检索关键词：采光聚光匀光，采光匀光，聚光匀光，集光匀光，采光匀光透镜，聚光匀光透镜，集光匀光透镜，采光匀光罩，聚光匀光罩，集光匀光罩，集光器... ...）和对市场应用产品的考察，我们发现，目前的工业化采光照明产品具有以下特点：一是，采光聚光是由透明的各种形式的采光罩（透镜）独立安装在导光管的上端的，匀光漫射是由匀光板或漫射镜是独立安装在导光管的下端的，例如专利号201920198260.2的钻石型集光器，“其特征在于：设有集光器柱身，所述集光器柱身为一圆柱形柱台与一个圆椎体叠加的组合体，所述集光器柱身外表面为光滑的平面结构，所述集光器柱身在内部为一中空的结构，所述集光器柱身在内表面上设置有多道光学螺纹透镜，所述圆椎体在顶部中心设有一球形的球弧面，所述圆椎体在侧面设置有5至9个扇形的平面，所述扇形的平面与圆柱形柱台侧面的夹角在20～70度，所述圆柱形柱台在底部外侧设置有一基座加强固定柱，所述基座加强固定柱为一直径为10mm的座加强固定柱，所述基座加强固定柱固定在一防雨帽板上，所述防雨帽板正下方设有导光管，所述导光管下方装有一漫射器”。再如：广东佛山正能量节能科技有限公司、盛旦节能技术（北京）有限公司、北京东方风光新能源技术有限公司等企业的专利和生产的阳光导入照明产品，采光聚光罩与匀光漫射器都是在导光筒两端分立安装的。又如：申请号 201910936593.5的一种强化匀光功能的二级复合聚光器及其应用，“其特征在于，所述二级复合聚光器包括沿光线传播方向依次连接的第一聚光器和第二聚光器，其中所述第一聚光器呈渐缩抛物型，所述第二聚光器呈渐扩抛物型，并且所述第一聚光器的聚光比大于所述第二聚光器的聚光比”。能够有效地均匀非平行聚光光源，提供的二级复合聚光器发出光线的均匀性可以提升50％以上”，该结构的轴向尺寸较高，材料用量多。二是，除了在采光照明产品上加装单独的电控机械反射装置外，采光器件的采光机理都是靠透镜材料本身的透射和折射原理实现的，经过检索没有发现同时利用透镜的材料和结构本身实现透射、折射和反射一体化实现采光、聚光、匀光的采光罩技术方案。

总之，现有技术方案的结构均存在采光照明系统的采光聚光与匀光部件都是分立设置的，结构复杂，材料用量多，特别是早晨和傍晚的水平和低角度照射光透射率低等问题。不符合中华人民共和国行业标准《导光管采光系统技术规程》JGJ/T374-2015中强调的采光罩要“限制高角度的直射日光，提高低角度的阳光利用率，以保证室内相对稳定的光输出。”的要求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种：（1）既能采光聚光，又能同时匀光的一体化透镜；（2）该透镜能实现水平和低角度照射光透射率高；（3）无光斑，无阴影，匀光效果好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采光聚光匀光一体化透镜，是一凸透镜，包括向外凸起的入光层，向内凹陷的出光层，入光层具有光滑的外表面，其特征在于：所述出光层上设有n个独立均布的折射和反射体，所述n等于大于5。

所述入光层和出光层是分别具有一定厚度的导光材料制成，入光层和出光层都具有外表面（入光层的上表面）和内表面（出光层的下表面）。

该透镜（采光罩）的采光、聚光、匀光机理是（参照附图2）：按照几何光学的基本定律，①一束入射光(A)从外空气投射到光滑的入光层表面（此时光从光疏介质的空气中入射到光密介质中），一部分光(a)被光滑表面反射到外空气中。另一部分光(b)将透过入光层和出光层并产生一次折射（当入光层与出光层融为一体时）或两次折射（当入光层与出光层之间有一定空隙）。②折射光(b）之后到达折射和反射体(4a)，进入折射和反射体(4a)的(b)束光一部产生折射光(c)，之后根据折射角大小的不同，要么直接传输到受光空间，要么传输到与折射和反射体(4a)相邻的折射反射体(4b)（或距离更远的折射反射体）的外表面，进一步进行折射或反射到达受光空间内。③(b)束光还可能产生一部分反射光(d)，反射光(d)在折射和反射体(4a)与空气接触的另一表面处产生二次反射或折射（此时光从光密介质到光疏介质），并可能产生二次折射光(e)和反射光(j)，二次折射光(e)和二次反射光(j)根据反射角的不同，要么直接传输到受光空间，要么传输到与折射和反射体(4a)相邻的折射反射体(4c)（或距离更远的折射反射体）的外表面进一步形成折射光(k)和反射光(m),折射光(k)进入折射和反射体(4c)内，反射光(m)到达受光空间内。多束入射光经过多次折射和反射实现聚光和匀光目的。

该技术方案的特点和有益效果是：入光层外表面光滑可防止尘埃聚集；出光层上的n个独立均布的折射和反射体可对围绕透镜360°不同高度的入射角的光线既能被折射又能被反射，达到漫射均光的效果；漫射均光后的杂乱光线最终聚集到反射导光筒内或直接照射到受光空间。该透镜不仅采光聚光和匀光可由一个光学部件完成，而且可增加低角度光的采光率。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，优先选择的技术方案是：所述n个独立均布的折射和反射体是n个倒锥体。该技术方案的特点和有益效果是：n个倒锥体可将各个方向的光线更有效地向受光空间折射、反射并达到漫射均光的效果。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述n个独立均布的折射和反射体是n个倒球冠体。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述n个独立均布的折射和反射体是n个倒圆台体。

上所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述各种折射和反射体表面上加工有微米级别及以下尺度的麻点或凹坑。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述入光层上设有紫外光固化（UV）涂层。该技术方案的特点和有益效果是：紫外光固化（UV）涂层可防止透镜长期在日光照射下发黄老化，减小透射光的衰减。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，优先选择的技术方案是：所述入光层的凹面和出光层的凸面是结合为一体的凸透镜结构。该技术方案的特点和有益效果是：可直接在透镜的内表面加工折射、反射体，工艺简单。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述入光层周边与出光层周边结合在一起，入光层的凹面和出光层的凸面是分开一间距的凸透镜结构。该技术方案的特点和有益效果是：可对光线进行两次折射，提高导光照明系统的聚光度。特别是当导光筒直径小于透镜直径时可有效提高系统的照度。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述入光层及出光层上设有紫外光固化（UV）涂层，所述入光层的凹面和出光层的凸面是结合为一体的凸透镜结构。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述入光层及出光层上设有紫外光固化（UV）涂层，所述入光层周边与出光层周边结合在一起，入光层的凹面和出光层的凸面是分开一间距的凸透镜结构。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述折射和反射体是微米级别以下尺度的麻点或凹坑。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述折射和反射体是由上述各种形状的折射体和反射体组合而成。

上述的采光聚光匀光一体化透镜，可供选择的技术方案是：所述入光层和出光层的外轮廓形状是正球冠形或多面正锥台形。

有益效果：上述透镜的各种技术方案实现了：（1）采光、聚光、匀光一体化；（2）水平和低角度照射光透射率和照度高；（3）受光面无光斑，无阴影，匀光效果好；（4）结构简单，材料用量少。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1为本实用新型的一种采光聚光匀光一体化透镜的基本结构示意图。

图2为图1的局部光路原理放大示意图。

图中：1-入光层,2-出光层,3-光滑外表面,4(4a、4b、4c)-折射和反射体，5-入光层与出光层结合面，A-入射光线，a、d、j、m为不同过程点的反射光线，b、c、e、k为不同过程点的折射光线。带有箭头的点划线代表透镜折射反射面的法线，带有箭头的实线代表入射、折射、反射光线，虚线代表入光层和出光层的接触面。

具体实施方式

附图1是一种采光聚光匀光一体化透镜的基本结构示意图，透镜包括向外凸起的入光层1，向内凹陷的出光层2，入光层1具有光滑的外表面3，出光层2上设有若干个独立均布的倒锥形折射和反射体4，入光层1和出光层2是分别具有一定厚度的导光材料，入光层的凹面和出光层的凸面相互接触为一体，接触面在5处。

图2为图1的局部光路原理放大示意图。采光、聚光、匀光过程是：①一束入射光A从外空气投射到入光层1的光滑表面3上（此时光是从光疏介质空气中入射到光密介质中），其中一部分光a被光滑表面3反射到外空气中。②另一部分光b将透过入光层1和出光层2并产生一次折射光b,之后折射光b到达折射和反射体4a，进入折射和反射体4a的b束光的一部产生折射光c直接传输到受光空间。③b束光还产生反射光d，反射光d在折射和反射体4a与空气接触的另一表面处产生二次反射和折射（此时光是从光密介质到光疏介质），并产生二次折射光e和反射光j，二次反射光j反射到透镜内，二次折射光e传输到与折射和反射体4a相邻的折射反射体4c的外表面进一步形成折射光k和反射光m,折射光k进入折射和反射体(4c)内，反射光m到达受光空间内。若干束入射光经过多次折射和反射实现采光、聚光和匀光目的。

该实施例的入光层1的外表面3光滑可防止尘埃聚集；出光层2上的若干个独立均布的折射和反射体4可对360°不同的入射角的光线进行折射、反射并达到漫射均光的效果，漫射均光后的杂乱光线最终聚集到反射导光筒内或直接照射到受光空间。该透镜不仅采光、聚光和匀光可由一个光学部件完成，而且可增加低角度光的照度。

样品对比试验：选用一市场上著名的某公司的导光照明装置作为对比试验样品，其导光筒直径和钻石形采光透镜的底部直径都是530mm，透镜高度250mm，底部装有530mm直径的匀光板，测试其不同角度时受光面的照度。本发明的采光聚光匀光透镜的试验样品，底部直径也是530mm，透镜高度250mm，折射和反射体是凹坑形，凹坑尺度在5微米至1微米范围。利用该某公司的导光筒，更换成本发明的透镜，由于本发明透镜本身已具备匀光功能，为了保证导光照明装置的密封性，将某公司产品底部的530mm直径的匀光板更换成相同直径的透明板，在相同的光源条件下测试同一受光面的照度，实验参照中华人民共和国行业标准《导光管采光系统技术规程》JGJ/T374-2015的试验要求，测试对比数据如下表：

测试数据显示：某公司产品照度，除了在60°、75°、90°三个高角度较高外，其它角度均低于本发明产品。本发明技术在不同角度的照度差远低于某公司产品在不同角度时的照度差，符合中华人民共和国行业标准《导光管采光系统技术规程》JGJ/T374-2015的“限制高角度的直射日光，提高低角度的阳光利用率，以保证室内相对稳定的光输出。”的要求。受光面无光斑，无阴影，匀光效果好。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的透镜，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。

Claims (10)

1.一种采光聚光匀光一体化透镜，是一凸透镜，包括向外凸起的入光层，向内凹陷的出光层，入光层具有光滑的外表面，其特征在于：所述出光层上设有n个独立均布的折射和反射体，所述n等于大于5。

2.根据权利要求1所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述折射和反射体是倒锥体。

3.根据权利要求1所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述折射和反射体是倒球冠体。

4.根据权利要求1所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述折射和反射体是倒圆台体。

5.根据权利要求1所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述折射和反射体是微米级别及以下尺度的麻点或凹坑。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述入光层上设有紫外光固化（UV）涂层。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述入光层的凹面和出光层的凸面是结合为一体的凸透镜结构。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述入光层周边与出光层周边结合在一起，入光层的凹面和出光层的凸面是分开一间距的凸透镜结构。

9.根据权利要求6所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述入光层的凹面和出光层的凸面是结合为一体的凸透镜结构。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种采光聚光匀光一体化透镜，其特征在于：所述折射和反射体表面上加工有微米级别及以下尺度的麻点或凹坑。