專利名稱：勻光聚束反光器的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反光器的設(shè)計方法，尤其是涉及使用LED光源的勻光聚束反光器 的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
LED照明光源作為新型的照明光源，其具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長、低耗等優(yōu)點， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭照明、商業(yè)照明、公路照明、工礦照明等場合。LED照明光源具有作為光源的LED芯片，在LED芯片外有反光器，LED片與反光器 的結(jié)構(gòu)如圖1所示。反光器10具有光滑弧面的周壁11，周壁11的內(nèi)表面為反光器的反射 面，LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)內(nèi)表面反射后出射。周壁11的上端為反光器10的入光口 12， LED芯片13在入光口 12的內(nèi)壁上，且LED芯片13由封裝材料14密封。與反光器10的入 光口 12相對的是出光口 15，LED芯片13發(fā)出的光線經(jīng)過反光器10周壁11的內(nèi)表面反射 后，經(jīng)出光口 15射出。由于LED照明光源與周圍環(huán)境的高對比度等原因，在使用過程中容易產(chǎn)生眩光， 人們正常使用LED照明光源時，在視野中看到的LED照明光源出射的光線在局部區(qū)域上形 成高強(qiáng)度和高對比度的光線，在時間或空間上形成極端對比，造成人眼的不適應(yīng)，從而影響 人們的視覺。但是，現(xiàn)有LED反光器10的配光設(shè)計常用于聚焦，而沒有考慮到根據(jù)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勻地射向被照面，也就是根據(jù)眩光 控制的要求將LED芯片13發(fā)出的光線合理地分配到需要照明的區(qū)域上。另一方面，反向追跡法是把光看成光線，從被照面向光源反向推演的方法，也是反 光器的設(shè)計的常用方法，下面結(jié)合圖2與圖3簡單介紹反向追跡法的原理。如圖2所示，光 源21發(fā)出的光線Ll經(jīng)過反射面22后發(fā)生鏡面反射，形成反射光線L2，入射至被照面23 上，形成鏡像。因此，根據(jù)光路可逆的原理，若已知光線在被照面23的位置，并已知光線在反射 面22的位置以及反射光線的方向，根據(jù)光線反射原理即可計算入射光線的方向，并可推斷 光源21的方向，該原理即為反向追跡法原理。如圖3所示，若已知光線在被照面23的位置、反射面22的位置以及反射光線的方 向，則可根據(jù)反向追跡法計算光源21的方向。計算時，以被照點作為光源，以反射光線作為 入射光線L4，計算反射光線L3的方向，則可知光源21在反射光線L3所在的直線上。若增 加光源21的限制條件，如光源21與反射面22之間的直線距離或光源21與被照面23之間 的距離等，則可計算出光源21的位置。類似地，若已知光源21以及被照點的位置，并且已知反射面22的斜率、光線Ll或 反射光線L2任一的方向，根據(jù)反向追跡法可計算光線Ll或反射光線L2的方向，并可計算 反射點的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種有較好防眩光效果的勻光聚束反光器的設(shè)計方法。為實現(xiàn)上述的主要目的，本發(fā)明提供的勻光聚束反光器的設(shè)計方法中，反光器具 有入光口以及與入光口相對設(shè)置的出光口，入光口內(nèi)側(cè)設(shè)有LED光源，該方法包括根據(jù)被 照面的照度或亮度以及光源與被照面之間的距離，并根據(jù)防眩光設(shè)計要求確定反光器的最 大出光角，從而確定最大出射半角，并在光源所在平面上確定所述入光口的孔徑；在二維平 面下，從入光口的一個端點為開始作多條首尾相接的線段，根據(jù)被照面照度要求，使用反向 追跡法及迭代法確定每一線段的斜率及端點，多條線段形成一條曲線；根據(jù)最大出射半角 確定出光口端點在曲線上的位置，以入光口端點與出光口端點之間的一段曲線作為反光器 周壁的一條母線；將母線繞反光器軸線旋轉(zhuǎn)一圈獲得反光器周壁的反光曲面。由上述方案可見，設(shè)計反光器的過程中，首先考慮反光器的防眩光要求，根據(jù)該要 求確定反光器的最大出射半角。在設(shè)計反光器母線時，所有反射光線的出射角均小于最大 出射半角，因此可確保光源發(fā)出的光線經(jīng)反光器的反射后不會形成眩光。一個優(yōu)選的方案是，反光器內(nèi)安裝的光源為點光源，構(gòu)成母線的線段計算方法是 在二維平面下，將被照面的一半劃分為多個等份，確定每一等份的端點；根據(jù)被照明上光強(qiáng) 分布情況確定每一端點的光線方向；以入光口的端點為起點，作具有一定斜率的第一線段， 使從光源出射的光線經(jīng)過所述第一線段的中點所形成的反射光線為經(jīng)過一個被照面某一 等份端點的光線；重復(fù)執(zhí)行計算第一線段的步驟，以上一線段的終點為起點計算下一線段 的終點及斜率。由此可見，應(yīng)用上述方法可計算點光源下的反光器母線，設(shè)計的反光器可實現(xiàn)較 好的配光效果。另一個優(yōu)選的方案是，反光器安裝的光源為面光源；多條線段的計算方法是在 二維平面下，以入光口的第一端點為起點，作具有一定斜率的第一線段，使從入光口第二端 點出射的光線經(jīng)第一線段的中點反射后形成的光線為具有最大出光半角的光線；重復(fù)執(zhí)行 計算第一線段的步驟，以上一線段的終點為起點計算下一線段的終點及斜率?？梢?，上述方法計算出的反光器的出光口可使LED的出射光線角度不超過最大出 射半角，能有效控制眩光。


圖1是一種反光器與LED芯片的剖視圖。圖2是鏡面反射原理圖。圖3是反向追跡法的原理圖。圖4是本發(fā)明第一實施例中光源與被照面的示意圖。圖5是本發(fā)明第一實施例中確定反光器最大出射角的示意圖。圖6是本發(fā)明第一實施例中計算反光器母線的示意圖。圖7是本發(fā)明第二實施例中計算反光器母線的示意圖。圖8是應(yīng)用本發(fā)明第二實施例設(shè)計的勻光聚束反光器與LED芯片、電路板組合的 結(jié)構(gòu)圖。以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實施例方式本發(fā)明勻光聚束反光器的設(shè)計方法是在二維平面下設(shè)計出反光器周壁內(nèi)表面的 一條母線，然后將母線繞反光器軸線旋轉(zhuǎn)一圈形成反光器的周壁曲面，也就是反光器的反 光曲面。因此下面介紹的母線設(shè)計方法是在二維平面下進(jìn)行的。第一實施例。設(shè)計反光器時，首先需要根據(jù)LED照明光源的使用環(huán)境確定光源的位置、被照面 積、光源與被照面之間的距離等。參見圖4，本實施例的光源為面光源，其安裝在平面31上， 平面31也為反光器入光口所在的平面，且平面31與被照面32平行設(shè)置。被照面32位于 光源的正下方，且被照面32的直徑為D1，被照面32與光源之間的距離為H。然后，確定經(jīng)反光器反射所形成的反射光線的最大出射角度。為了控制眩光，設(shè)計 反光器出射光線的最大出射角度時，必須考慮產(chǎn)生眩光的角度。如圖5所示，人眼在平視的 時候，產(chǎn)生眩光的視角范圍是與水平線成大于45°的夾角，因此只要光源44發(fā)出的與水平 線之間的夾角大于45°的光線被反光器反射，LED光源發(fā)出的光就不會直接入射人眼，避 免了眩光的產(chǎn)生。假設(shè)圖5中的反光器40為設(shè)計好的反光器，其具有作為反光面的周壁41，周壁41 的上端為反光器的入光口，光源44位于入光口中央，也就是安裝在入光口 42內(nèi)側(cè)，與入光 口 42相對的為反光器的出光口 43，光源44發(fā)出的部分光線經(jīng)周壁41反射后從反光器出光 口 43出射。根據(jù)邊緣光線理論，反光器40的最大出射角度θ 1應(yīng)為反光器入光口 42左側(cè)邊 緣與被照面32右側(cè)邊緣的光線L12跟連接反光器入光口 42右側(cè)邊緣與被照面32左側(cè)邊 緣的光線Lll所形成夾角的角度，最大出射角度θ 1的一半，即光線Lll與反光器軸線之間 的夾角θ 2的角度為最大出射半角。由圖5可見，最大出射半角θ 2小于45°時，可有效控 制眩光。根據(jù)上述方法，可確定反光器40的最大出射角度θ 1以及最大出射半角θ 2的角 度。并且，根據(jù)LED照明光源的實際使用情況，可確定反光器40入光口 42的孔徑，如 圖5所示的，反光器入光口 42的直徑為D2。面光源可看作無數(shù)個點光源構(gòu)成的光源，如圖6所示的反光器件模型，當(dāng)平行光 線L21、L22以最大出射半角θ 2的角度入射至反光器件的邊界51上時，所有的反射光線 L24、L25均經(jīng)過反光器件出射孔52的邊緣，即Q5點。當(dāng)入射光線L21、L22的入射角減小，反射光線L24、L25將入射至反光器件的出射 孔52內(nèi)。因此，根據(jù)光路可逆原理，光源發(fā)出的大于出射角的光線經(jīng)反光器反射，會以小于 出射角的角度射出。設(shè)計反光器的母線時，首先在二維平面下，經(jīng)反光器入光口的一個端點，即Q點， 作出一條具有一定斜率的第一線段，以使從入光口另一端點Q5出射的光線L29經(jīng)過該第一 線段的中點，即Q4點后形成的反射光線L28為具有最大出射半角的光線。然后，以第一線段的終點為起點，作出具有一定斜率的第二線段，使從端點Q5出 射的光線L27經(jīng)過該第二線段的中點Q3后所形成的反射光線L26也是具有最大出射半角的光線。使用上述的步驟，以上一線段的終點作為下一線段的起點，使用反向追跡法確定每 一線段的端點以及斜率，并且使用迭代法計算多條線段。這些首尾相接的線段連接形成一 條曲線。使用上述方法重復(fù)地計算出多條線段，直至計算出這樣的一條線段從端點Q5出 射到該線段的中點Q2的光線L24為具有最大出射半角的光線，則該線段的中點Q2即為反 光器出光口的一個端點，也就是反光器反光面母線的下端點。因此，Q2點可以看作是經(jīng)過 Q5點作具有最大出射半角的光線L24與曲線的交點。接著，把反光器入光口的端點Q與出光口的端點Q2之間的曲線作為反光器反光面 的一條母線?？梢?，當(dāng)選取的線段較多，如上千條線段，則計算出來的母線近乎為光滑的弧 線。經(jīng)過上述步驟后，反光器反射面的母線設(shè)計完畢，將母線繞反光器軸線旋轉(zhuǎn)一周 后可反光器周壁的反光曲面。由此可見，設(shè)計反光器的母線時，考慮到防眩光的問題，并且根據(jù)防眩光的要求設(shè) 計最大出射角度，光源發(fā)出的光線經(jīng)反光器反射后的光線不會以大于最大出射角度的角度 出射，從而有效地防止眩光的產(chǎn)生。第二實施例。本實施例的光源為點光源，點光源具有朗伯型特性。設(shè)計反光器時，也是首先設(shè)計反光器內(nèi)表面的一條母線，然后將母線繞反光器軸 線旋轉(zhuǎn)一周獲得反光器的周壁內(nèi)表面曲面。設(shè)計母線前，需要根據(jù)實際使用環(huán)境確定反光 器的參數(shù)，如圖7所示的，點光源設(shè)置在0點位置，反光器的入光口 61半徑為R3，被照面71 的半徑為R5。同時，根據(jù)第一實施例的方法確定防眩光的角度，即確定反光器出射光線的最 大出射半角，如圖7中的θ 3。接著，將被照面71的一半劃分為五個等份，每一等份的長度為dr，且確定每一等 份的端點P3、P4、P5、P6、P7、P8，根據(jù)被照明上光強(qiáng)分布情況經(jīng)過確定過每一端點P4、P5、 P6、P7、P8 反射光線 L32、L33、L34、L35、L36 的方向，每一反射光線 L32、L33、L34、L35、L36 與被照面71之間的夾角依次增大，即反射光線的出射角度依次減小。同時，經(jīng)過被照面端 點P3的光線L31應(yīng)為具有最大出射半角的光線。然后，自入光口 61的一個端點Pl點開始，作具有一定斜率的第一線段，使從光源 0出射的光線L46經(jīng)過第一線段的中點P18后形成的反射光線為經(jīng)過一個端點P8的光線 L36。這樣，可以確定第一線段的兩個端點以及斜率。接著，以第一線段的終點為起點，作出第二線段，使從光源0出射的光線L45經(jīng)過 第二線段的中點P17反射后形成的光線L35為經(jīng)過端點P7的光線。使用上述的方法，不斷計算新的線段，這些首尾相連的線段形成一條曲線。使用上述的方法直至計算出這樣的一條線段從光源0出射的光線L41經(jīng)過該線 段的中點P2后形成的反射光線L31為具有最大出射半角的光線。則該線段的中點P2即為 反光器出光口的端點?？梢?，出光口的端點P2可視為過被照面端點P3的具有最大出射半 角的光線L31與多條線段組成的曲線的交點。然后，取入光口端點Pl與出光口端點P2之間的一段曲線作為反光器內(nèi)表面的母 線，可見，構(gòu)成母線的線段的斜率自入光口端點Pl向出光口端點P2是逐漸變小的，且P2點
6也是母線與反光器最大出射角的交點。經(jīng)過上述計算后，可確定反光器的一條母線，將母線繞反光器的軸線旋轉(zhuǎn)一周后 獲得反光器周壁的反光曲面。由于設(shè)計反光器的母線時，考慮眩光的問題，從反光器出射的所有光線角度均小 于最大出射半角，可有效防止眩光的產(chǎn)生。應(yīng)用該反光器的LED照明光源可以是單通道或多通道的光源，如圖8所示的，LED 光源具有基板81，基板81上設(shè)有多個LED芯片84，每一 LED芯片84外安裝一個使用上述 方法設(shè)計的反光器83。由于LED照明光源上設(shè)有多個反光器83，多個反光器83的光束集 合在一起構(gòu)成了 LED光源的光斑，因此其為具有多通道勻光聚束反光器的LED照明光源。最后需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明不限于上述實施方式，如選擇反射點數(shù)量的改變、最大 出射角度的改變、反光器數(shù)量等變化也應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
勻光聚束反光器的設(shè)計方法，所述反光器的一端設(shè)有入光口，另一端有與所述入光口相對設(shè)置的出光口，所述入光口內(nèi)側(cè)安裝有光源，其特征在于該方法包括根據(jù)被照面的照度或亮度要求以及光源與被照面之間的距離，并根據(jù)防眩光設(shè)計要求確定所述反光器的最大出光角，從而確定最大出射半角，并在光源所在平面上確定所述入光口的孔徑；在二維平面下，從所述入光口的一個端點(P1、Q)為開始作多條首尾相接的線段，根據(jù)被照面照度要求，使用反向追跡法及迭代法確定每一所述線段的斜率及端點，多條所述線段形成一條曲線；根據(jù)所述最大出射半角確定所述出光口端點在所述曲線上的位置，以所述入光口端點與所述出光口端點之間的一段曲線作為所述反光器內(nèi)壁的一條母線；將所述母線繞所述反光器軸線旋轉(zhuǎn)一圈獲得所述反光器周壁的反光曲面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光聚束反光器設(shè)計方法，其特征在于所述光源為點光源；所述線段的計算方法是在二維平面下，將所述被照面的一半劃分多份，確定每一份 的端點(P3、P4、P5、P6、P7、P8)；根據(jù)被照面上光強(qiáng)分布情況經(jīng)過確定每一所述端點(P3、 P4、P5、P6、P7、P8)的光線(L32、L33、L34、L35、L36)方向；以所述入光口的端點(Pl)為起 點，作具有一定斜率的第一線段，使從所述光源出射的光線(L46)經(jīng)過所述第一線段的中點 (P18)所形成的反射光線為經(jīng)過一個所述端點(P8)的光線(L36)；重復(fù)執(zhí)行計算第一線段 的步驟，以上一線段的終點為起點計算下一線段的終點及斜率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的勻光聚束反光器計方法，其特征在于確定所述出光口端點(P2)的方法是在二維平面下，過所述被照面端點(P3)作具有所 述最大出射半角的光線(L31)，以所述具有最大出射半角的光線(L31)與所述曲線的交點 為所述出光口的端點(P2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光聚束反光器設(shè)計方法，其特征在于所述光源為面光源；所述線段的計算方法是在二維平面下，以所述入光口的第一端點(Q)為起點，作具有 一定斜率的第一線段，使從所述入光口第二端點(Q5)出射的光線經(jīng)所述第一線段的中點 (Q4)反射后形成的光線(L28)為具有最大出光半角的光線；重復(fù)執(zhí)行計算第一線段的步 驟，以上一線段的終點為起點計算下一線段的終點及斜率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的勻光聚束反光器設(shè)計方法，其特征在于確定所述出光口端點(Q2)的方法是在二維平面下，過所述入光口的第二端點(Q5)作 具有所述最大出光半角的光線(L24)，以所述具有最大出光半角的光線(L24)與所述曲線 的交點作為所述反光器出光口的端點(Q2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的勻光聚束反光器設(shè)計方法，其特征在于多條所述線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單向變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種勻光聚束反光器的設(shè)計方法，反光器具有入光口及出光口，該方法包括確定光源、被照面的直徑以及光源與被照面間距，并根據(jù)防眩光設(shè)計要求確定反光器出射光線的最大出射半角，并確定所述入光口的孔徑；在二維平面下，從入光口的一個端點為開始作多條首尾相接的線段，根據(jù)被照面照度要求，使用反向追跡法及迭代法確定每一線段的斜率及端點，多條線段形成一條曲線；根據(jù)最大出射半角確定出光口端點在曲線上的位置，以入光口端點與出光口端點之間的一段曲線作為反光器周壁的一條母線；將母線繞反光器軸線旋轉(zhuǎn)一圈獲得反光器周壁的反光曲面。應(yīng)用本發(fā)明提供方法設(shè)計的反光器可有效避免眩光的產(chǎn)生，按照明的要求分配光，提高光的利用率。
文檔編號F21V7/04GK101900296SQ20101026697
公開日2010年12月1日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者劉偉奇, 容學(xué)宇, 楊罡, 靳寶玉, 魏德遠(yuǎn) 申請人:珠海晟源同泰電子有限公司