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CN101900296B - 匀光聚束反光器的设计方法 - Google Patents

匀光聚束反光器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种匀光聚束反光器的设计方法，反光器具有入光口及出光口，该方法包括确定光源、被照面的直径以及光源与被照面间距，并根据防眩光设计要求确定反光器出射光线的最大出射半角，并确定所述入光口的孔径；在二维平面下，从入光口的一个端点为开始作多条首尾相接的线段，根据被照面照度要求，使用反向追迹法及迭代法确定每一线段的斜率及端点，多条线段形成一条曲线；根据最大出射半角确定出光口端点在曲线上的位置，以入光口端点与出光口端点之间的一段曲线作为反光器周壁的一条母线；将母线绕反光器轴线旋转一圈获得反光器周壁的反光曲面。应用本发明提供方法设计的反光器可有效避免眩光的产生，按照明的要求分配光，提高光的利用率。

Description

匀光聚束反光器的设计方法
技术领域
本发明涉及一种反光器的设计方法，尤其是涉及使用LED光源的匀光聚束反光器的设计方法。
背景技术
LED照明光源作为新型的照明光源，其具有节能、环保、使用寿命长、低耗等优点，已经广泛应用于家庭照明、商业照明、公路照明、工矿照明等场合。
LED照明光源具有作为光源的LED芯片，在LED芯片外有反光器，LED片与反光器的结构如图1所示。反光器10具有光滑弧面的周壁11，周壁11的内表面为反光器的反射面，LED芯片发出的光线经内表面反射后出射。周壁11的上端为反光器10的入光口12，LED芯片13在入光口12的内壁上，且LED芯片13由封装材料14密封。与反光器10的入光口12相对的是出光口15，LED芯片13发出的光线经过反光器10周壁11的内表面反射后，经出光口15射出。
由于LED照明光源与周围环境的高对比度等原因，在使用过程中容易产生眩光，人们正常使用LED照明光源时，在视野中看到的LED照明光源出射的光线在局部区域上形成高强度和高对比度的光线，在时间或空间上形成极端对比，造成人眼的不适应，从而影响人们的视觉。但是，现有LED反光器10的配光设计常用于聚焦，而没有考虑到根据被照面的照度或亮度要求，用反光器10把光按被照面的要求均匀地射向被照面，也就是根据眩光控制的要求将LED芯片13发出的光线合理地分配到需要照明的区域上。
另一方面，反向追迹法是把光看成光线，从被照面向光源反向推演的方法，也是反光器的设计的常用方法，下面结合图2与图3简单介绍反向追迹法的原理。如图2所示，光源21发出的光线L1经过反射面22后发生镜面反射，形成反射光线L2，入射至被照面23上，形成镜像。
因此，根据光路可逆的原理，若已知光线在被照面23的位置，并已知光线在反射面22的位置以及反射光线的方向，根据光线反射原理即可计算入射光线的方向，并可推断光源21的方向，该原理即为反向追迹法原理。
如图3所示，若已知光线在被照面23的位置、反射面22的位置以及反射光线的方向，则可根据反向追迹法计算光源21的方向。计算时，以被照点作为光源，以反射光线作为入射光线L4，计算反射光线L3的方向，则可知光源21在反射光线L3所在的直线上。若增加光源21的限制条件，如光源21与反射面22之间的直线距离或光源21与被照面23之间的距离等，则可计算出光源21的位置。
类似地，若已知光源21以及被照点的位置，并且已知反射面22的斜率、光线L1或反射光线L2任一的方向，根据反向追迹法可计算光线L1或反射光线L2的方向，并可计算反射点的位置。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种有较好防眩光效果的匀光聚束反光器的设计方法。
为实现上述的主要目的，本发明提供的匀光聚束反光器的设计方法中，反光器具有入光口以及与入光口相对设置的出光口，入光口内侧设有LED光源，该光源为面光源，该方法包括根据被照面的照度或亮度以及光源与被照面之间的距离，并根据防眩光设计要求确定反光器的最大出光角，从而确定最大出射半角，并在光源所在平面上确定所述入光口的孔径；在二维平面下，从入光口的一个端点为开始作多条首尾相接的线段，多条线段的计算方法是：在二维平面下，以入光口的第一端点为起点，作具有一定斜率的第一线段，使从入光口第二端点出射的光线经第一线段的中点反射后形成的光线为具有最大出光半角的光线；重复执行计算第一线段的步骤，以上一线段的终点为起点计算下一线段的终点及斜率，根据被照面照度要求，使用反向追迹法及迭代法确定每一线段的斜率及端点，多条线段形成一条曲线；根据最大出射半角确定出光口端点在曲线上的位置，以入光口端点与出光口端点之间的一段曲线作为反光器周壁的一条母线；将母线绕反光器轴线旋转一圈获得反光器周壁的反光曲面。
由上述方案可见，设计反光器的过程中，首先考虑反光器的防眩光要求，根据该要求确定反光器的最大出射半角。在设计反光器母线时，所有反射光线的出射角均小于最大出射半角，因此可确保光源发出的光线经反光器的反射后不会形成眩光。
并且，上述方法计算出的反光器的出光口可使LED的出射光线角度不超过最大出射半角，能有效控制眩光。
附图说明
图1是一种反光器与LED芯片的剖视图。
图2是镜面反射原理图。
图3是反向追迹法的原理图。
图4是本发明第一实施例中光源与被照面的示意图。
图5是本发明第一实施例中确定反光器最大出射角的示意图。
图6是本发明第一实施例中计算反光器母线的示意图。
图7是本发明第二实施例中计算反光器母线的示意图。
图8是应用本发明第二实施例设计的匀光聚束反光器与LED芯片、电路板组合的结构图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
本发明匀光聚束反光器的设计方法是在二维平面下设计出反光器周壁内表面的一条母线，然后将母线绕反光器轴线旋转一圈形成反光器的周壁曲面，也就是反光器的反光曲面。因此下面介绍的母线设计方法是在二维平面下进行的。
第一实施例。
设计反光器时，首先需要根据LED照明光源的使用环境确定光源的位置、被照面积、光源与被照面之间的距离等。参见图4，本实施例的光源为面光源，其安装在平面31上，平面31也为反光器入光口所在的平面，且平面31与被照面32平行设置。被照面32位于光源的正下方，且被照面32的直径为D1，被照面32与光源之间的距离为H。
然后，确定经反光器反射所形成的反射光线的最大出射角度。为了控制眩光，设计反光器出射光线的最大出射角度时，必须考虑产生眩光的角度。如图5所示，人眼在平视的时候，产生眩光的视角范围是与水平线成大于45°的夹角，因此只要光源44发出的与水平线之间的夹角大于45°的光线被反光器反射，LED光源发出的光就不会直接入射人眼，避免了眩光的产生。
假设图5中的反光器40为设计好的反光器，其具有作为反光面的周壁41，周壁41的上端为反光器的入光口，光源44位于入光口中央，也就是安装在入光口42内侧，与入光口42相对的为反光器的出光口43，光源44发出的部分光线经周壁41反射后从反光器出光口43出射。
根据边缘光线理论，反光器40的最大出射角度θ1应为反光器入光口42左侧边缘与被照面32右侧边缘的光线L12跟连接反光器入光口42右侧边缘与被照面32左侧边缘的光线L11所形成夹角的角度，最大出射角度θ1的一半，即光线L11与反光器轴线之间的夹角θ2的角度为最大出射半角。由图5可见，最大出射半角θ2小于45°时，可有效控制眩光。根据上述方法，可确定反光器40的最大出射角度θ1以及最大出射半角θ2的角度。
并且，根据LED照明光源的实际使用情况，可确定反光器40入光口42的孔径，如图5所示的，反光器入光口42的直径为D2。
面光源可看作无数个点光源构成的光源，如图6所示的反光器件模型，当平行光线L21、L22以最大出射半角θ2的角度入射至反光器件的边界51上时，所有的反射光线L24、L25均经过反光器件出射孔52的边缘，即Q5点。
当入射光线L21、L22的入射角减小，反射光线L24、L25将入射至反光器件的出射孔52内。
因此，根据光路可逆原理，光源发出的大于出射角的光线经反光器反射，会以小于出射角的角度射出。
设计反光器的母线时，首先在二维平面下，经反光器入光口的一个端点，即Q点，作出一条具有一定斜率的第一线段，以使从入光口另一端点Q5出射的光线L29经过该第一线段的中点，即Q4点后形成的反射光线L28为具有最大出射半角的光线。
然后，以第一线段的终点为起点，作出具有一定斜率的第二线段，使从端点Q5出射的光线L27经过该第二线段的中点Q3后所形成的反射光线L26也是具有最大出射半角的光线。使用上述的步骤，以上一线段的终点作为下一线段的起点，使用反向追迹法确定每一线段的端点以及斜率，并且使用迭代法计算多条线段。这些首尾相接的线段连接形成一条曲线。
使用上述方法重复地计算出多条线段，直至计算出这样的一条线段：从端点Q5出射到该线段的中点Q2的光线L24为具有最大出射半角的光线，则该线段的中点Q2即为反光器出光口的一个端点，也就是反光器反光面母线的下端点。因此，Q2点可以看作是经过Q5点作具有最大出射半角的光线L24与曲线的交点。
接着，把反光器入光口的端点Q与出光口的端点Q2之间的曲线作为反光器反光面的一条母线。可见，当选取的线段较多，如上千条线段，则计算出来的母线近乎为光滑的弧线。
经过上述步骤后，反光器反射面的母线设计完毕，将母线绕反光器轴线旋转一周后可反光器周壁的反光曲面。
由此可见，设计反光器的母线时，考虑到防眩光的问题，并且根据防眩光的要求设计最大出射角度，光源发出的光线经反光器反射后的光线不会以大于最大出射角度的角度出射，从而有效地防止眩光的产生。
第二实施例。
本实施例的光源为点光源，点光源具有朗伯型特性。
设计反光器时，也是首先设计反光器内表面的一条母线，然后将母线绕反光器轴线旋转一周获得反光器的周壁内表面曲面。设计母线前，需要根据实际使用环境确定反光器的参数，如图7所示的，点光源设置在O点位置，反光器的入光口61半径为R3，被照面71的半径为R5。同时，根据第一实施例的方法确定防眩光的角度，即确定反光器出射光线的最大出射半角，如图7中的θ3。
接着，将被照面71的一半划分为五个等份，每一等份的长度为dr，且确定每一等份的端点P3、P4、P5、P6、P7、P8，根据被照明上光强分布情况经过确定过每一端点P4、P5、P6、P7、P8反射光线L32、L33、L34、L35、L36的方向，每一反射光线L32、L33、L34、L35、L36与被照面71之间的夹角依次增大，即反射光线的出射角度依次减小。同时，经过被照面端点P3的光线L31应为具有最大出射半角的光线。
然后，自入光口61的一个端点P1点开始，作具有一定斜率的第一线段，使从光源O出射的光线L46经过第一线段的中点P18后形成的反射光线为经过一个端点P8的光线L36。这样，可以确定第一线段的两个端点以及斜率。
接着，以第一线段的终点为起点，作出第二线段，使从光源O出射的光线L45经过第二线段的中点P17反射后形成的光线L35为经过端点P7的光线。
使用上述的方法，不断计算新的线段，这些首尾相连的线段形成一条曲线。
使用上述的方法直至计算出这样的一条线段：从光源O出射的光线L41经过该线段的中点P2后形成的反射光线L31为具有最大出射半角的光线。则该线段的中点P2即为反光器出光口的端点。可见，出光口的端点P2可视为过被照面端点P3的具有最大出射半角的光线L31与多条线段组成的曲线的交点。
然后，取入光口端点P1与出光口端点P2之间的一段曲线作为反光器内表面的母线，可见，构成母线的线段的斜率自入光口端点P1向出光口端点P2是逐渐变小的，且P2点也是母线与反光器最大出射角的交点。
经过上述计算后，可确定反光器的一条母线，将母线绕反光器的轴线旋转一周后获得反光器周壁的反光曲面。
由于设计反光器的母线时，考虑眩光的问题，从反光器出射的所有光线角度均小于最大出射半角，可有效防止眩光的产生。
应用该反光器的LED照明光源可以是单通道或多通道的光源，如图8所示的，LED光源具有基板81，基板81上设有多个LED芯片84，每一LED芯片84外安装一个使用上述方法设计的反光器83。由于LED照明光源上设有多个反光器83，多个反光器83的光束集合在一起构成了LED光源的光斑，因此其为具有多通道匀光聚束反光器的LED照明光源。
最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如选择反射点数量的改变、最大出射角度的改变、反光器数量等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.匀光聚束反光器的设计方法，所述反光器的一端设有入光口，另一端有与所述入光口相对设置的出光口，所述入光口内侧安装有光源，所述光源为面光源，其特征在于：该方法包括
根据被照面的照度或亮度要求以及光源与被照面之间的距离，并根据防眩光设计要求确定所述反光器的最大出光角，从而确定最大出射半角，并在光源所在平面上确定所述入光口的孔径；
在二维平面下，从所述入光口的一个端点(P1、Q)为开始作多条首尾相接的线段，多条所述线段的计算方法是：在二维平面下，以所述入光口的第一端点(Q)为起点，作具有一定斜率的第一线段，使从所述入光口第二端点(Q5)出射的光线经所述第一线段的中点(Q4)反射后形成的光线(L28)为具有最大出光半角的光线；重复执行计算第一线段的步骤，以上一线段的终点为起点计算下一线段的终点及斜率；
根据被照面照度要求，使用反向追迹法及迭代法确定每一所述线段的斜率及端点，多条所述线段形成一条曲线；
根据所述最大出射半角确定所述出光口端点在所述曲线上的位置，以所述入光口端点与所述出光口端点之间的一段曲线作为所述反光器内壁的一条母线；
将所述母线绕所述反光器轴线旋转一圈获得所述反光器周壁的反光曲面。
2.根据权利要求1所述的匀光聚束反光器设计方法，其特征在于：
确定所述出光口端点(Q2)的方法是：在二维平面下，过所述入光口的第二端点(Q5)作具有所述最大出光半角的光线(L24)，以所述具有最大出光半角的光线(L24)与所述曲线的交点作为所述反光器出光口的端点(Q2)。
3.根据权利要求1或2所述的匀光聚束反光器设计方法，其特征在于：
多条所述线段的斜率自所述反光器的入光口向所述反光器的出光口依次单向变化。
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