CN113339755B - 一种一体式大空间照明光学装置及其安装方法 - Google Patents

一种一体式大空间照明光学装置及其安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种一体式大空间照明光学装置，该装置的透镜为横向对称结构，其配光有效区域为一体式的折射部及反射部；折射部包含入光曲面a的A部和出光曲面c，反射部包含入光曲面a的B部、反射曲面b以及出光面d；入光曲面a、反射曲面b、出光曲面c的纵截面为自由曲线，出光面d为与光源出光面平行的平面；光线从光源发出入射到入光曲面a上，大部分光线通过A部折射向出光曲面c并向左侧实现偏光输出，小部分光线通过B部进入反射部，并从出光面d向左侧实现偏光输出。本发明能够有效利用后侧光线反射到需大角度照射的照明区域，提高光的利用率，尤其适用于机场照明及广场照明。

Description

一种一体式大空间照明光学装置及其安装方法
技术领域
本发明属于照明灯具技术领域，尤其涉及一种一体式大空间照明光学装置及其安装方法。
背景技术
目前广泛应用的大空间照明光学装置，主要配光部一为针对单个COB大功率光源设计的折射透镜，二为针对多颗LED光源设计的分别配光的组合透镜，由于组合透镜的灯具虚影明显，在此方面采用单个透镜的照明光学装置优势尤为显著。
大空间照明光学装置的照明特点为大角度，远距离。由于LED光源的朗伯发光特性，为了使其能够实现偏光，一般会通过透镜对其二次配光，但是由于玻璃的超高透过率及光源的发光特性，传统对应COB大功率光源的透镜后侧存在漏光现象，造成了光的不必要损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可提高光利用率的一体式大空间照明光学装置及其安装方法。
为了解决上述问题，本发明的一体式大空间照明光学装置包括光源和透镜；所述的透镜为横向对称结构，包含自上至下的透镜主体、透镜基台以及安装结构三个部分；透镜的配光有效区域为一体式的折射部及反射部；折射部包含入光曲面a的A部和出光曲面c，反射部包含入光曲面a的B部、反射曲面b以及出光面d；入光曲面a、反射曲面b、出光曲面c的纵截面为自由曲线，出光面d为与光源出光面平行的平面；光源设置在透镜的底面下方偏向反射部一侧；光线成朗伯光型从光源发光面发出，入射到入光曲面a上，大部分光线通过入光曲面a的A部折射向出光曲面c，并通过出光曲面c向左侧出射实现偏光输出，小部分光线通过入光曲面a的B部进入反射部，通过反射曲面b反射后到达出光面d，并从出光面d向左侧出射实现偏光输出。
所述的光源的发光面距离透镜基台底面1mm-4mm，设光源的中心与透镜基台左侧边缘的距离为J，光源的中心与透镜基台右侧边缘的距离为K，则光源发光面直径与J之比为1.45-2.48，与K之比为0.96-1.64。
进一步，所述的透镜主体、安装结构和透镜基台为一体式结构；透镜基台被入射曲面a贯通，安装结构为中间有通孔、厚度为3-5mm的拉伸结构，光源位于安装结构的通孔内；所述的安装结构和透镜基台的边缘形状相同。
所述透镜基台的边缘曲线包括半径与光源发光面直径之比为1.45-2.48、对应圆心角∠1为100°-115°的圆弧部分，与圆弧相对的自由曲线部分以及两侧对称的连接圆弧部分与自由曲线部分的自由曲线连接部。
所述入光曲面a的曲率半径最小位置对应的径向线与光源发光面之间的夹角α1为35°-58°；所述反射曲面b的曲率半径在远离光源的方向上逐渐增加；所述出光曲面c曲率半径最小位置对应的径向线与光源发光面之间的夹角α2为35°-60°。
所述出光面d为与光源发光面平行的平面，该出光面到透镜主体底面的距离与光源发光面直径比为0.73-1.25。
所述在出光曲面c与出光面d之间通过半径r1为2-6mm及半径r2为7-14mm的圆角连接。
所述透镜的出光曲面c的高度A与光源发光面直径比为0.84-1.7，入光曲面a的高度B与光源发光面直径比为0.396-0.675，透镜纵向长度C与光源发光面直径之比为2.2-4.37，反射部的横向宽度E与光源发光面直径之比为2.16-3.69，透镜反射部高度D与光源发光面直径之比为0.73-1.25,入光曲面a的纵向长度I与光源发光面直径之比为1.02-2，入光曲面a横向长度H与光源发光面直径之比为1.28-2.4。
所述的透镜通过曲面微元分析方法获得，该方法如下：
假设光源为点发光的朗伯光型，其光线根据入射角度分为多个部分；
根据所需的光源发光面直径以及透镜基台大小，设定透镜基台的初步尺寸，出光曲面c的初始高度以及入光曲面a的初始高度；
设定入光曲面a的初始纵向截面为半圆弧；根据斯涅尔折射定律设定出光曲面c对应左侧小角度光线和右侧小角度光线的部分从左至右逐渐向光源方向弯曲；
根据全反射定律设定反射曲面b纵向截面的曲率半径沿远离光源中轴线的方向逐渐增加，从而使右侧大角度光线在反射曲面b发生全反射；
设定入光曲面a的初始横向截面为半圆弧；设定在透镜的横向截面，小角度光线发散，大角度光线略微收束，即折射部和反射部的左侧剖面曲线的曲率半径从上至下先减小再增加；根据实际照明区域的情况对两侧特定角度光线进行收束，所述的特定角度为折射部和反射部横向截面曲线的曲率半径最小位置所对应的圆心角；
根据上述设定的初始参数及形状，初步绘制透镜轮廓线得到草图，将草图带入到结构绘制软件中实现透镜主体的成形，再由光学模拟软件给出光学分析结果；不断调整透镜面型，并根据实际光源配光使得透镜发光效果趋近设计需求，得到透镜最终面型。
上述光学装置的安装方法如下：
将安装结构嵌入在散热器端面的环形凹槽内，采用密封胶对安装结构与散热器端面环形凹槽进行密封；将光源放置在散热器端面中心位置，此时，光源位于安装结构的通孔内部，用半围式压框压紧透镜并将半围式压框与散热器端面固定连接。
上述光学装置还可以采用如下方法安装：
将安装结构嵌入在散热器端面的环形凹槽内，采用密封胶对安装结构与散热器端面环形凹槽进行密封；将光源放置在散热器端面中心位置，环形的光源支架与光源组合装配并使其底面固定在散热器端面上，此时，光源与光源支架位于安装结构的通孔内部，用半围式压框压紧透镜并将半围式压框与散热器端面固定连接。
有益效果：
本发明相比传统高杆灯透镜，其带有的反射结构能够有效利用后侧光线反射到需大角度照射的照明区域，提高光的利用率，从而根据照明区域照度和均匀度的需求，有更多的平衡空间。透镜安装结构嵌入在散热器端面的环形凹槽内，采用密封胶对密封透镜安装结构与散热器端面环形凹槽进行密封，进行有效防水，透镜外部设有半围式压框，进一步固定结构。本发明尤其适用于机场照明及广场照明。
附图说明
图1是本发明的一体式大空间照明光学装置的纵向(Y-Y方向)剖面图。
图2a、图2b、图2c、图2d、图2e分别是本发明的一体式大空间照明光学装置的主视图、俯视图、仰视图、侧视图、底视图。
图3是本发明的一体式大空间照明光学装置Y-Y剖面光线示意图。
图4是本发明的一体式大空间照明光学装置X-X剖面光线示意图。
图5是本发明的一体式大空间照明光学装置Y-Y剖面曲面原理分析图。
图6是本发明的一体式大空间照明光学装置X-X剖面曲面原理分析图。
图7是斯涅尔定律示意图。
图8是本发明的一体式大空间照明光学装置不带有光源支架的组装图。
图9是本发明的一体式大空间照明光学装置带有光源支架的组装图。
图10是本发明的一体式大空间照明光学装置的配光原理示意图。
图11是使用本发明的一体式大空间照明光学装置的广场布局图。
图12是使用本发明的一体式大空间照明光学装置的广场照明效果模拟图。
图13是使用本发明的一体式大空间照明光学装置的广场照明结果模拟图。
图中1.光源；2.透镜主体；21.折射部；22.反射部；3.安装结构；4.透镜基台；5.散热器；6.光源支架，7.半围式压框。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及效果呈现的更加清楚，一些结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例为示例，仅为了解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明采用的上、下、左、右、顶部、底部、顶面、底面等词语，仅仅是为了清楚描述各部分的位置关系，但这些词语并不能构成对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明的一体式大空间照明光学装置包括光源1和透镜；所述的透镜为横向对称结构，包含自上至下的透镜主体2、透镜基台4以及安装结构3三个部分。
如图1所示，光源1放置在透镜基台3的下方，距离透镜基台3下表面1mm-4mm；设光源1的中心与透镜基台左侧边缘的距离为J，光源1的中心与反射部透镜基台右侧边缘的距离为K，则光源发光面直径与J之比为1.45-2.48，与K之比为0.96-1.64。
所述的透镜主体2、安装结构3和透镜基台4为一体式结构，并且安装结构3和透镜基台4的边缘形状相同；透镜基台被入射曲面a贯通，安装结构3为中间有通孔、厚度为3-5mm的拉伸结构，光源1位于安装结构3的通孔内。
所述的透镜基台4为不规则形状的平台，其底面如图2a、2e所示，边缘曲线包括半径与光源发光面直径之比为1.45-2.48、对应圆心角∠1为100°-115°的圆弧部分23，与圆弧相对的自由曲线部分24以及两侧对称的连接圆弧部分23与自由曲线部分24的自由曲线连接部25。
所述透镜的配光有效区域为一体式的折射部21及反射部22；折射部21包含入光曲面a的A部和出光曲面c，反射部22包含入光曲面a的B部、反射曲面b以及出光面d；入光曲面a、反射曲面b、出光曲面c的纵截面为自由曲线，出光面d为与光源1出光面平行的平面。
如图2a、2b、2c、2d、2e所示，所述的入光曲面a关于Y-Y剖面对称，入光曲面a在Y-Y剖面的截面曲线为一自由曲线，其曲率半径最小位置对应的径向线与光源1发光面之间的夹角α1为35°-58°。
所述的反射曲面b沿Y-Y剖面对称，反射曲面b在Y-Y剖面的截面曲线为一自由曲线，其曲率半径在远离光源的方向上逐渐增加。
所述的出光曲面c沿Y-Y剖面对称，出光曲面c在Y-Y剖面的截面曲线为一自由曲线，其曲率半径最小位置对应的径向线与光源1平面之间的夹角α2为35°-60°。
所述出光面d为与光源1发光面平行的平面，该出光面到透镜主体底面的距离与光源直径比为0.73-1.25。
所述在出光曲面c与出光面d之间通过半径r1为2-6mm及半径r2为7-14mm的圆角连接。
对于本发明的其他主要尺寸，具体地，所述透镜的出光曲面c的高度A与光源发光面直径比为0.84-1.7，入光曲面a的高度B与光源发光面直径比为0.396-0.675，透镜纵向长度C与光源发光面直径之比为2.2-4.37，反射部的横向宽度E与光源发光面直径之比为2.16-3.69，透镜反射部高度D与光源发光面直径之比为0.73-1.25,入光曲面a的纵向长度I与光源发光面直径之比为1.02-2，入光曲面a横向长度H与光源发光面直径之比为1.28-2.4。
如图3所示，在Y-Y剖面，光线成朗伯光型从光源1发光面发出，入射到入光曲面a上，大部分光线通过入光曲面a的A部折射向出光曲面c，并通过出光曲面c向左侧出射实现偏光输出，小部分光线通过入光曲面a的B部进入反射部22，通过反射曲面b反射后到达出光面d，并从出光面d向左侧出射实现偏光输出。
图4为X-X剖面光线的大致走向，明显的，由出光曲面c出射的小角度光线发散，大角度光线略微收束。而通过出光面d出射的光线同样是小角度光线发散，大角度光线略微收束。
所述的透镜通过曲面微元分析方法获得，Y-Y剖面及X-X剖面原理分析图如图5、图6，该方法具体如下：
假设光源为点发光的朗伯光型，其光线根据入射角度分为若干个部分，分的份数越多，设计的面型越准确。此处分析举例简单分为四个部分：左侧大角度光线L1，左侧小角度光线L2，右侧小角度光线L3，右侧大角度光线L4；
根据所需的光源发光面直径以及透镜基台大小，设定透镜基台的初步尺寸，出光曲面c的初始高度以及入光曲面a的初始高度；
光从光疏介质向光密介质传播，会向法线方向偏折，而从光密介质向光疏介质传播，会向远离法线方向偏折。光线在不同介质的偏折程度是受到材料的折射率的限制的，目前玻璃透镜一般为高硼硅材料。
设定入光曲面a的初始纵向截面为半圆弧；根据如图7所示的斯涅尔折射定律n1sinθ1＝n2sinθ2，可以根据入射光线及需求出射光线方向判断出光曲面c对应左侧小角度光线L2和右侧小角度光线L3的部分从左至右逐渐向光源方向弯曲；
根据全反射定律，当入射角大于临界角时，出射光线可以实现全反射。为了实现入射到反射曲面b的光线能够通过出光面d向左出射，反射曲面b纵向截面的曲率半径需沿远离光源中轴线的方向逐渐增加，从而使右侧大角度光线L4在反射曲面b发生全反射；
设定入光曲面a的初始横向截面为半圆弧；在透镜的横向截面，小角度光线发散，大角度光线略微收束，即折射部和反射部的左侧剖面曲线的曲率半径从上至下先减小再增加；可以根据实际照明区域的情况对两侧特定角度光线进行收束，所述的特定角度为折射部和反射部横向截面曲线的曲率半径最小位置所对应的圆心角。
根据上述设定的初始参数及形状，初步绘制透镜轮廓线得到草图，将草图带入到结构绘制软件中实现透镜主体的成形，再由光学模拟软件给出光学分析结果；并不断根据需求优化调整曲面面型，并根据实际光源配光使得透镜发光效果趋近设计需求，得到透镜最终面型。
上述光学装置的安装方法如下：
如图8所示，将透镜安装结构3嵌入在散热器5端面的环形凹槽内，采用密封胶对安装结构3与散热器5端面环形凹槽进行密封；将光源1放置在散热器端面中心位置，此时，光源1位于安装结构3的通孔内部，用半围式压框7压紧透镜并将半围式压框与散热器端面固定连接。
上述光学装置还可以采用如下方法安装：
如图9所示，将透镜安装结构3嵌入在散热器5端面的环形凹槽内，采用密封胶对安装结构3与散热器端面环形凹槽进行密封；将光源放置在散热器端面中心位置，环形的光源支架6与光源组合装配并使其底面固定在散热器端面上，此时，光源与光源支架6位于透镜安装结构3的通孔内部，用半围式压框7压紧透镜并将半围式压框与散热器端面固定连接。
如图10所示，为本发明实施例透镜的配光曲线图。
将本发明实施例透镜应用于某广场，广场布局如图11，灯杆高度18米，广场周围共有4个灯杆，每个灯杆上6盏灯，灯具仰角30°，广场照明效果如图12，照明模拟结果如图13所示，平均照度可达53lx，均匀度0.546，此方案可以为广场提供十分良好的照明效果。
本发明各实施例参数及在上述提及广场照明效果见表1。表中，γ1为高度A与光源发光面直径之比，γ2为高度B与光源发光面直径之比，γ3为纵向长度C与光源发光面直径之比，γ4为横向长度H与光源发光面直径之比，γ5为纵向长度I与光源发光面直径之比，α1为入光曲面a的曲率半径最小位置对应的径向线与光源1发光面之间的夹角，α2为出光曲面c在Y-Y剖面的截面曲线的曲率半径最小位置对应的径向线与光源1平面之间的夹角。
表1
Figure BDA0003102536540000091

Claims (9)

1.一种一体式大空间照明光学装置，其特征在于包括光源(1)和透镜；所述的透镜为横向对称结构，包含自上至下的透镜主体(2)、透镜基台(4)以及安装结构(3)三个部分；透镜的配光有效区域为一体式的折射部(21)及反射部(22)；折射部(21)包含入光曲面a的A部和出光曲面c，反射部(22)包含入光曲面a的B部、反射曲面b以及出光面d；入光曲面a、反射曲面b、出光曲面c的纵截面为自由曲线，出光面d为与光源(1)出光面平行的平面；光源(1)设置在透镜的底面下方偏向反射部(22)一侧；光线从光源(1)发光面发出，入射到入光曲面a上，大部分光线通过入光曲面a的A部折射向出光曲面c，并通过出光曲面c向左侧出射实现偏光输出，小部分光线通过入光曲面a的B部进入反射部(22)，通过反射曲面b反射后到达出光面d，并从出光面d向左侧出射实现偏光输出；所述透镜的出光曲面c的高度A与光源发光面直径比为0.84-1.7，入光曲面a的高度B与光源发光面直径比为0.396-0.675，透镜纵向长度C与光源发光面直径之比为2.2-4.37，反射部的横向宽度E与光源发光面直径之比为2.16-3.69，透镜反射部高度D与光源发光面直径之比为0.73-1.25,入光曲面a的纵向长度I与光源发光面直径之比为1.02-2，入光曲面a横向长度H与光源发光面直径之比为1.28-2.4。
2.根据权利要求1所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于所述的光源(1)的发光面距离透镜基台底面1mm-4mm，设光源(1)的中心与透镜基台(4)左侧边缘的距离为J，光源(1)的中心与透镜基台(4)右侧边缘的距离为K，则光源发光面直径与J之比为1.45-2.48，与K之比为0.96-1.64。
3.根据权利要求1所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于所述的透镜主体(2)、安装结构(3)和透镜基台(4)为一体式结构；透镜基台被入射曲面a贯通，安装结构(3)为中间有通孔、厚度为3-5mm的拉伸结构，光源(1)位于安装结构(3)的通孔内；所述的安装结构(3)和透镜基台(4)的边缘形状相同。
4.根据权利要求1所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于所述透镜基台(4)的边缘曲线包括半径与光源发光面直径之比为1.45-2.48、对应圆心角∠1为100°-115°的圆弧部分(23)，与圆弧相对的自由曲线部分(24)以及两侧对称的连接圆弧部分(23)与自由曲线部分(24)的自由曲线连接部(25)。
5.根据权利要求1所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于所述入光曲面a的曲率半径最小位置对应的径向线与光源(1)发光面之间的夹角α1为35°-58°；所述反射曲面b的曲率半径在远离光源的方向上逐渐增加；所述出光曲面c曲率半径最小位置对应的径向线与光源(1)发光面之间的夹角α2为35°-60°。
6.根据权利要求1或5所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于所述出光面d为与光源(1)发光面平行的平面，该出光面到透镜主体底面的距离与光源发光面直径比为0.73-1.25。
7.根据权利要求6所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于在出光曲面c与出光面d之间通过半径r1为2-6mm及半径r2为7-14mm的圆角连接。
8.根据权利要求1所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于所述的透镜通过曲面微元分析方法获得，该方法如下：
假设光源为点发光的朗伯光型，其光线根据入射角度分为多个部分；
根据所需的光源发光面直径以及透镜基台大小，设定透镜基台的初步尺寸，出光曲面c的初始高度以及入光曲面a的初始高度；
设定入光曲面a的初始纵向截面为半圆弧；根据斯涅尔折射定律设定出光曲面c对应左侧小角度光线和右侧小角度光线的部分从左至右逐渐向光源方向弯曲；
根据全反射定律设定反射曲面b纵向截面的曲率半径沿远离光源中轴线的方向逐渐增加，从而使右侧大角度光线在反射曲面b发生全反射；
设定入光曲面a的初始横向截面为半圆弧；设定在透镜的横向截面，小角度光线发散，大角度光线略微收束，即折射部和反射部的左侧剖面曲线的曲率半径从上至下先减小再增加；根据实际照明区域的情况对两侧特定角度光线进行收束，所述的特定角度为折射部和反射部横向截面曲线的曲率半径最小位置所对应的圆心角；
根据上述设定的初始参数及形状，初步绘制透镜轮廓线得到草图，将草图带入到结构绘制软件中实现透镜主体的成形，再由光学模拟软件给出光学分析结果；不断调整透镜面型，并根据实际光源配光使得透镜发光效果趋近设计需求，得到透镜最终面型。
9.根据权利要求1所述的一体式大空间照明光学装置，其特征在于上述光学装置的安装方法如下：
将安装结构(3)嵌入在散热器(5)端面的环形凹槽内，采用密封胶对安装结构(3)与散热器端面环形凹槽进行密封；将光源放置在散热器端面中心位置，此时，光源位于安装结构(3)的通孔内部，用半围式压框(7)压紧透镜并将半围式压框与散热器端面固定连接；
或者，上述光学装置采用如下方法安装：
将安装结构(3)嵌入在散热器端面的环形凹槽内，采用密封胶对安装结构(3)与散热器端面环形凹槽进行密封；将光源放置在散热器端面中心位置，环形的光源支架(6)与光源组合装配并使其底面固定在散热器端面上，此时，光源与光源支架位于安装结构(3)的通孔内部，用半围式压框(7)压紧透镜并将半围式压框与散热器端面固定连接。
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