Led路燈的反射杯的製作方法

2023-05-25 09:13:41 1

專利名稱：Led路燈的反射杯的製作方法
技術領域：
本發明屬於LED照明技術領域，具體涉及一種LED路燈的反射杯。
技術背景現有的路燈光源大多採用高壓鈉燈、高壓汞燈，消耗功率較大，工作電壓高，啟動時 間較慢，燈泡使用壽命短，使得燈管更換率過高，維護成本大幅上升。LED作為一種新型的固體光源，同傳統光源相比具有很多優勢，如節能，環保，易 於調節，壽命長等優點，因此非常適合作為各種照明領域的光源，比如道路照明光源。道路照明系統不同於一般的照明燈具，其照明的場最好為矩形區域，以提高光的利用 率。根據國家公路照明標準，要滿足在一矩形的被照平面上(一般是10米X35米)的平 均照度以及照度均勻度。由於LED光源發出的光近似朗伯型，即光強呈餘弦分布，直接用於照明，會在路面 上形成一個不均勻的圓斑，中心處很亮，而在徑向衰減很快。這就需要設計相應的光學系 統來重新配光。目前出現的LED路燈，往往都是採用LED光源加透鏡的方式來達到路面 上產生均勻矩形斑的效果，但是這種方案會由於光的折射而損失較大的光能，不利於光能 利用。 發明內容本發明的目的在於克服現有技術存在的上述不足,提供LED路燈的反射杯，能使LED 路燈在路面形成均勻矩形照明區域。本發明採用如下技術方案本發明的反射杯涉及兩部分能量分配， 一部分為直接從燈具出射的能量，另一部分為 被反射杯反射出燈具的能量。本發明的LED路燈的反射杯，包括底面和反射面，反射面為自由曲面，底面為中間 有圓形缺口的平面區域，LED放在缺口處，LED直接從反射杯開口出射的那部分光照射 到目標面上形成初始的矩形照明區域，反射面用於反射其餘的光到該初始的矩形照明區 域，使該兩部分光的能量疊加後形成均勻的矩形照明區域，反射面為自由曲面，該自由曲 面的形狀通過如下方法確定首先以LED底面的圓心為原點建立坐標系，以LED底面所在平面為義Oy平面，過原點並與zoy平面垂直的軸為z軸，所述反射杯的形狀關於zoz平面和yoz平面對稱，所以先計算第一象限的部分，然後通過將自由曲面在第一象限的部分相對於^OZ平 面和K Z平面進行兩次對稱即得到最後的反射杯。在計算第一象限的自由曲面時，將其分為兩部分計算，分別為側面部分(沿X軸方向)和端面部分(沿r軸方向)。由於總能量是守恆的，可以在計算完側面部分後，將剩餘的能量與端面對應。在計算反射杯自由曲面和劃分目標照明區域的時候使用直角坐標系 表示，而在分配光源的能量時採用球坐標表示。(1) 確定初始條件並對目標照明區域劃分網格。首先目標照明面與LED的距離為/z，目標照明區域是長為fl，寬為6的矩形區域，取其第一象限為研究對象，則長邊為a/2，側邊為6/2， LED光源的總光通量為^，目標區域的平均照度為五v (五v為總光通量除以目標區域面積)，中心光強為/。-^/;r。將目 標照明矩形區域沿Z軸方向以步長A等分成m份，沿r軸方向以步長A:等分成"份，得到 和的數組。這樣在目標照明區域第一象限就形成了 mx 個等面積的正方形網 格。對應的，通過計算每一份網格的能量，將光源出射光線離散化，對應於目標照明區域 在第一象限的劃分，在e角上分成m份，在p角上分成w份。(2) 通過能量守恆計算光線出射的e角(e角為光線在zoy平面上的投影與r軸的夾角)第一步，計算目標區域Z軸方向每條矩形區域所對應的最後能量 第二步，計算目標區域I軸方向每條矩形區域所對應的直射能量因為使用的LED光源為朗伯源，其光強分布為中心光強的餘弦分布，利用照度光強與距 離的平方反比關係，可以得到目標區域的照度分布為(jc2 +J/2 +/ 2)2 直射能量為照度分布對於目標區域的二重積分Jx(/m) J3第三步，確定反射杯口的邊界^角值(^角為出射光線與Z軸正向的夾角)由於本方法中直接出射的那部分光在目標照明面上是直接形成一個矩形光斑的，所以 反射杯口的形狀雖然不一定是一個矩形，但是杯口邊界線上所有點的^角是一定的。在確定了初始條件以後，可直接以目標照明區域的邊界坐標值求解反射杯口的邊界^角值, 、 + jx(w)2+_y(n)2 、 p(w， 《) = arctan(v ~八 )只要將m,"的取值遍歷邊界上所有的點，即可求出反射杯口邊界上所對應的所有p角的值。第四步，由能量守恆求出汐角-反射能量為-i(附)i 7。. cos("). sin(^卿其中p為上面第三步所計算的邊界p。又反射能量等於總能量減去直射能量，從而得 到能量守恆等式。通過計算機迭代計算可以求出一系列P值。由目標區域的長寬比為"/6, 對應的反射杯口也設為相同比例,所以當arctan(e)大於a/6時截止，記錄下此時所對應的 目標區域的長度，即JC坐標。(3) 由能量守恆計算p角以目標區域的每一小方格作為研究對象，面積為P。 第一步，計算每一小格的總能量第二步，計算每一小格的直射能量為-產(附+l) -M+l)其中/(x,力為目標區域照度分布。第三步，通過能量守恆求^角，反射能量為等於總能量減去直射能量。通過計算機迭代計算出p角數組。(4) 由反射定律和求出所述曲面上點的法向量，利用這個法向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點得到曲線上點的坐標。所述的反射定律公式為其中W為折射率，^為入射光線單位向量，0^為出射光線單位向量，^為單位法向量； 在計算中，首先確定一個計算的初始點，該初始點坐標決定了整個反射杯的大小，由這個 初始點算出一條邊界曲線，再由邊界曲線的上的每一個點為初始點算出整個自由曲面。計算方法由(3)中所確定的e和^可以求出入射光線的單位向量，通過初始點的坐標和與其對應的反射光線的單位向量，可以得到初始點的法向向量，從而確定該點的切平面， 該切平面與第二點的入射光線相交從而確定第二點。由前一點的切平面與下一點的法向量所在的直線相交可得出下一點，通過計算機迭代可得出所有點的坐標。由此確定了長邊曲 面的坐標。(5) 計算反射杯端面的曲面坐標首先確定初始直線為經過長邊邊界的終點，垂直於X軸的直線。由於在(2)的結尾已經記錄了側面對應的目標區域的長度，可以得到所剩下的區域的位置和大小。為了更好 的配合端面的整體曲率，將p的變化對應於目標區域y值的變化，p的變化對應於z軸的變化。算法與求側面相同，不再重述。(6) 利用機械仿真軟體將得到的點擬合為曲面得到的曲面為對應於ioz平面和roz平面鏡像，可以得到最終的反射杯曲面。上述的LED路燈的反射杯中，m,w的取值越大，步驟(4)得到所述曲面上的離散點越多，由這些離散點坐標通過計算機擬合能得到更精確的所述曲面。上述的LED路燈的反射杯中，(4)中所述初始點坐標決定了整個反射杯的大小，因 為反射杯上其他點的坐標都直接或間接由這點坐標求出。初始點坐標需要通過具體路燈燈 具和LED光源尺寸確定反射杯大小，從而決定初始點坐標。上述的LED路燈的反射杯中，(4)中所述的由(3)中所確定的e和p求出每一條入射光線的單位向量i^，其具體表達式為= (sin(e). sin(p), cos(P). sin(p), cos(p))。本發明具有如下有益效果本發明提供一種LED路燈燈具所用反射杯，通過反射杯 的內表面自由曲面來約束LED的出光方向，使其照明區域稱為一矩形均勻照明面，符合 國家道路照明的光分布與照度要求。由於LED光源直接出射所照出區域為圓形區域，所 以必須對其進行相應的光學設計來重新分配能量，來達到照射出矩形光斑的效果。傳統的路燈在路面的照射光斑為圓形，大量的光能照射到路面以外的區域，導致了光能的浪費。 考慮到路面的形狀,本發明設計光源照射區域的形狀為矩形，則可大幅提高光能的利用率。


圖l為實施方式中求解反射杯自由曲面中LED光源及其球坐標圖。 圖2為實施方式中目標區域和第一象限劃分網格圖。 圖3為實施方式中反射杯的俯視圖。圖4為實施方式中反射杯的三維立體圖。 圖5為實施方式中反射杯加上光路分析的俯視圖。 圖6為實施方式中反射杯的側視圖。 圖7為實施方式中目標照明區域上的照度分布圖。 圖8為實施方式中目標照明區域上的光強分布圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施作進一步的詳細描述。(1) 確定初始條件並對目標照明區域劃分網格，如圖l、圖2所示。首先目標照明面與LED的距離為10米，那麼由能量守恆可得到目標照明區域是長為 31.4米，寬為10米的矩形區域，取其第一象限為研究對象，則長邊為15.7米，側邊為5米，以CREE公司某款LED光源101為例，其總的光通量為^=2100流明，則目標區域的平均照度為五v:2100/3141x (五v為總光通量除以目標區域面積)，中心光強為 /。=^/"=2100/3.1化(1。將目標照明矩形區域102沿1軸方向以步長0.1米等分成157份，沿r軸方向以步長O.l等分成50份，得到x(157)和:K50)的數組。這樣在目標平面就形 成了157x50個等面積的正方形網格。對應的，通過計算每一份網格的能量，將光源出射 光線在0角上分成157份，在p角上分成50份。(2) 通過能量守恆計算光線出射的e角(0角為光線107在％or平面上的投影與r軸的夾角)第一步，將上述初始條件帶入下式，計算出目標區域Z軸方向每條矩形區域所對應的最後能量帶入數據的五"^gv = 0.1 x 5 x = 0.3344 。第二步，計算目標區域X軸方向每條矩形區域所對應的直射能量 因為使用的LED光源為朗伯源，其光強分布為中心光強的餘弦分布，利用照度光強與距 離的平方反比關係，可以得到目標區域的照度分布為-/ 2帶入數據/(^力=66879(x2+/+100)2 直射能量為照度分布對於目標區域的二重積分:帶入數據可得￡)^"五"=f/o,力血辦第三步，確定反射杯口的邊界^角值(^角為出射光線與Z軸正向的夾角)由於本方法中直接出射的那部分光在目標照明面上是直接形成一個矩形光斑的,所以反射杯口的形狀雖然不一定是一個矩形，但是杯口邊界線上所有點的^角是一定的。在確 定了初始條件以後，可直接以目標照明區域的邊界坐標值求解反射杯口的邊界^角值只要將m，"的取值遍歷邊界上所有的點，即可求出反射杯口邊界上所對應的所有^角的值。第四步，由能量守恆求出6角其中^為上面第三步所計算的邊界P。又反射能量等於總能量減去直射能量，從而得 到能量守恆等式。通過計算機迭代計算可以求出一系列e值。由目標區域的長寬比為"/6，對應的反射杯口也設為相同比例,所以當arctan(^)大於時截止，記錄下此時所對應的 目標區域的長度，即x坐標。(3)由能量守恆計算p角 以目標區域的每一小方格作為研究對象，面積為0.01平方米。 第一步，計算每一小格的總能量e"e^y = ￡vi2=(2100/314)*0.01第二步，計算每一小格的直射能量為Dz>e"￡"= r(W+Y("+1)/(x,;;>&^,其中/(x,力為目標區域照度分布。第三步，通過能量守恆求^角，反射能量為等於總能量減去直射能量。通過計算機迭代計算出伊角數組。(4)參照圖5，由反射定律和求出所述曲面上點的法向量，利用這個法向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點得到曲線上點的坐標。所述的反射定律公式為其中w為折射率，^301， 303為入射光線單位向量，(9:f302， 304為出射光線單位向量，#為單位法向量；在計算中，由(3)中所確定的e和p可以求出離散後每一條入射光線的單位向量， 通過初始點的坐標和與其對應的反射光線的單位向量，可以得到初始點的法向向量，從而 確定該點的切平面，該切平面與第二點的入射光線相交從而確定第二點。由前一點的切平 面與下一點的法向量所在的直線相交可得出下一點，通過計算機迭代可得出所有點的坐標。由此確定了長邊曲面的坐標。如首先確定一個計算的初始點(0， 0.02， 0.04)，該初始點坐標決定了整個反射杯的 大小，由這個初始點對應於目標照射區域上的(0， 5， 8)點，可求出該初始點的入射光 線的向量(0， 0.02， 0.04)以及出射光線的向量(0， 4.98， 7.96)，分別歸一化後可以得到初始點入射光線和出射光線的單位向量^和o:"由反射公式求出反射杯在該初始點單位法向量^，由此法向量和初始點可確定一個切平面，該切平面與第二條入射光線相 交，確定邊界的第二點，由以上方法迭代求出一條邊界曲線，再由邊界曲線的上的每一個 點為初始點算出整個自由曲面。(5)計算反射杯端面的曲面坐標首先確定初始直線為經過長邊邊界的終點，垂直於Z軸的直線。由於在(2)的結尾 己經記錄了側面對應的目標區域的長度，可以得到所剩下的區域的位置和大小。為了更好的配合端面的整體曲率，將e的變化對應於目標區域r值的變化，p的變化對應於Z軸的變化。算法與求側面相同，不再重述。 (6)利用機械仿真軟體將得到的點擬合為曲面得到的曲面為對應於zoz平面和roz平面鏡像，可以得到最終的反射杯曲面。如圖3，為通過上述方案得到的反射杯，所述反射杯底面加LED光源的正視圖，圖 4為立體圖，圖6為側視圖，反射杯包括側面201,端面202和底面203。 LED光源101 放置於底面203的中央。圖7、圖8為LED按照如上所述的方式放置了反射杯後的光照效果圖，圖7為目標 平面上的光分布為矩形斑，均勻度較好。圖8為圓形斑直徑上的光強的曲線圖。所以可以 看出，通過採用上述技術方案後，而能合理控制光線分布使光斑呈矩形，並且在照射區域 內總透光率高，出光均勻性好。1權利要求
1、LED路燈的反射杯，包括底面和反射面，反射面為自由曲面，底面為中間有圓形缺口的平面區域，LED位於缺口處，LED直接從反射杯開口出射的那部分光照射到目標面上形成初始的矩形照明區域，反射面用於反射其餘的光到該初始的矩形照明區域，使該兩部分光的能量疊加後形成均勻的矩形照明區域，其特徵在於反射面為自由曲面，該自由曲面的形狀通過如下方法確定以LED底面的圓心為原點建立坐標系，以LED底面所在平面為XOY平面，過原點並與XOY平面垂直的軸為Z軸，Z軸的正方向朝向反射杯的開口，所述反射杯的自由曲面的形狀關於XOZ平面和YOZ平面對稱，先確定XOY第一象限所對應的部分自由曲面形狀，然後通過將該部分自由曲面相對於XOZ平面和YOZ平面進行兩次對稱即得到所述反射面的形狀，第一象限所對應的部分自由曲面按照沿X軸和Y軸方向分為兩部分沿X軸方向為側面部分和沿Y軸方向為端面部分；由於總能量是守恆的，確定側面部分後，將剩餘的能量與端面對應，再確定端面部分，求解側面部分上點的坐標由如下步驟確定(1)確定初始條件並對目標照明區域劃分網格，LED光源為朗伯源，首先目標照明面與LED的距離為h，目標照明區域是長為a，寬為b的矩形區域，該區域在上述XOY坐標系的第一象限部分的長邊為a/2，短邊為b/2，LED光源的總光通量為φ，目標照明區域的平均照度為Ev，Ev等於所述總光通量除以目標照明區域面積，LED中心光強為I0＝φ/π；將目標照明矩形區域沿X軸方向以步長k等分成m份，沿Y軸方向以步長k等分成n份，得到x(m)和y(n)的數組；這樣在目標照明區域第一象限就形成了m×n個等面積的正方形網格，對應的，通過計算每一個網格的能量，將LED光源出射光線在θ角上分成m份，在 top= "217" left = "117"/>角上分成n份，θ角為光線在XOY平面上的投影與Y軸的夾角， top= "228" left = "78"/>角為出射光線與Z軸正向的夾角；(2)通過能量守恆計算光線出射的θ角，將目標照明區域第一象限沿著X軸方向劃分等步長n份，這樣在目標照明區域第一象限就會出現n個矩形區域第一步，計算最終目標照明區域X軸方向每條矩形區域所對應的能量<![CDATA[ Energy=k b 2Ev; ]]>第二步，計算目標區域X軸方向每條矩形區域所對應的直射光能量LED光源為朗伯源，其光強分布為中心光強的餘弦分布，利用照度光強與距離的平方反比關係，得到目標區域的照度分布為<![CDATA[ f ( x , y )= I 0 h 2 ( x2 + y2 + h2 )2 , ]]>直射能量為照度分布對於目標區域的二重積分<![CDATA[ DirectEn= x ( m ) x ( m + 1 ) 0 b2 f ( x , y )dxdy; ]]> top= "70" left = "111"/>第三步，確定反射杯口的邊界 top= "88" left = "77"/>角值直接出射的那部分光在目標照明面上是直接形成一個矩形光斑的，反射杯出口邊界線上所有點的 top= "107" left = "43"/>角是一定的，在確定了步驟(1)中的初始條件後，直接以目標照明區域的邊界坐標值求解反射杯口的邊界角值將m，n的取值遍歷邊界上所有的點，即求出反射杯口邊界上所對應的所有 top= "142" left = "158"/>角的值；第四步，由能量守恆求出θ角每條矩形區域中，通過反射到達的能量為其中 top= "185" left = "40"/>為上面第三步所計算的邊界角值；反射能量等於總能量減去直射能量，從而得到能量守恆等式；通過計算機迭代計算求出一系列離散θ值；由目標區域的長寬比為a/b，對應的反射杯口也設為相同比例，當arctan(θ)大於a/b時截止，記錄下此時所對應的目標區域的長度，即x坐標；(3)由能量守恆計算 top= "226" left = "63"/>角，目標區域的每一小方格的面積為k2計算每一小格的總能量energy＝Ev·k2；再計算每一小格的直射能量為<![CDATA[ DirectEn= x ( m ) x ( m + 1 ) y ( n ) y ( n + 1 ) f ( x , y )dxdy, ]]> top= "244" left = "23"/>其中f(x，y)為目標區域照度分布；通過能量守恆求 top= "259" left = "32"/>角，反射能量為 top= "255" left = "71"/>等於總能量減去直射能量，通過計算機迭代計算出 top= "270" left = "66"/>角數組；(4)由反射定律和求出所述曲面上點的法向量，利用這個法向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點得到曲線上點的坐標，所述的反射定律公式為<![CDATA[ 2 - 2 ( Out In ) N = Out -n In , ]]>其中n為折射率， top= "57" left = "55"/>為入射光線單位向量， top= "57" left = "103"/>為出射光線單位向量， top= "56" left = "154"/>為單位法向量；在計算中，首先確定一個計算的初始點，該初始點坐標決定了整個反射杯的大小，由這個初始點算出一條邊界曲線，再由邊界曲線的上的每一個點為初始點算出整個自由曲面，計算方法由(3)中所確定的θ和 top= "84" left = "84"/>求出入射光線的單位向量；通過初始點的坐標和與其對應的反射光線的單位向量，得到初始點的法向向量，從而確定該點的切平面，該切平面與第二點的入射光線相交從而確定第二點；由前一點的切平面與下一點的法向量所在的直線相交可得出下一點，通過計算機迭代可得出所有點的坐標，由此確定了長邊曲面的坐標；所述端面部分自由曲面上點的坐標由如下方法確定首先確定初始直線為經過長邊邊界的終點，垂直於X軸的直線；通過上述(2)的已得到的側面對應的目標區域的長度，可以得到所剩下的區域的位置和大小；為了更好的配合端面的整體曲率，將θ的變化對應於目標區域Y值的變化， top= "140" left = "138"/>的變化對應於X軸的變化；端面部分上點的算法與上述求側面部分上點的坐標方法相同；利用機械仿真軟體將上述得到的側面部分和端面部分上的點擬合為曲面，再將得到的曲面對應於XOZ平面和YOZ平面鏡像，得到最終的反射杯曲面。
2、 根據權利要求1所述的LED路燈的反射杯，其特徵在於w,w的取值越大，步驟(4)得到所述曲面上的離散點越多，由這些離散點坐標通過計算機擬合能得到更精確的所述曲 面。
3、 根據權利要求1所述的LED路燈的反射杯，其特徵在於(4)中初始點坐標決定 了整個反射杯的大小，初始點坐標需要通過具體路燈燈具和LED光源尺寸確定反射杯大 小，從而決定初始點坐標。
4、 根據權利要求1所述的LED路燈的反射杯，其特徵在於(4)中所述的由(3)中所確定的P和p求出每一條入射光線的單位向量^，其具體表達式為= (sin(。. sin(p), cos(P). sin(p)， cos(p))。
5、根據權利要求1 4任一項所述的LED路燈的反射杯，其特徵在於所述-=2100 流明，目標照明面與LED的距離為10米，目標照明區域是長為31.4米，寬為10米的矩 形區域，LED中心光強為A =^/;r=2100/3.14cd。
全文摘要
本發明提供了LED路燈的反射杯，包括底面和反射面，底面的中央放置有LED，LED直接從反射杯開口出射的那部分光照射到目標面上形成初始的矩形照明區域，反射面用於反射其餘的光到該初始的矩形照明區域，使該兩部分光的能量疊加後形成均勻的矩形照明區域，反射面為自由曲面，該自由曲面的形狀通過如下方法確定所述反射杯的自由曲面的形狀關於XOZ平面和YOZ平面對稱，先確定XOY第一象限所對應的部分自由曲面形狀，然後通過將該部分自由曲面相對於XOZ平面和YOZ平面進行兩次對稱即得到所述反射面的形狀。本發明所提供的反射杯可以實現LED路燈照射出均勻矩形光斑的效果。
文檔編號F21Y101/02GK101556026SQ20091003961
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月20日 優先權日2009年5月20日
發明者張奇輝, 張小凡, 洪 王, 王海宏 申請人:華南理工大學