本發(fā)明涉及一種射燈，尤其是指一種通過光學結構的改變具有高有效光能的射燈。

背景技術：

隨著LED光源的進一步發(fā)展，越來越多的人認識到這種光源的優(yōu)勢：綠色、節(jié)能、長壽命、易維護等。在商業(yè)照明領域，有一種導軌射燈的燈具隨著新光源的應用蓬勃發(fā)展起來。相較于傳統(tǒng)導軌射燈，新的LED導軌射燈似乎更加適用于這種燈具類型，有著更加廣闊的應用市場。在各大商業(yè)超市照明中，LED導軌射燈成為了一個不可或缺的燈具類型。

然而隨著應用領域的深入，各類問題也隨之出現(xiàn)。本發(fā)明將涉足一個射燈的光學問題。初期的LED導軌射燈光學設計大部分是這樣的：COB光源，加一個聚光的反光杯，然后在反光杯上增加一個透明玻璃片以防塵，性價比很高，適用性也很強。然而當射燈聚光角度在30°以下時，光學問題也就出現(xiàn)了：一部分光線被反光杯聚集到30°以內，另一部分光線透過玻璃直接發(fā)散出來，由于射燈架構的問題，這部分發(fā)散出來的光線總會有一些不在30°以內，這引起了兩個問題，一是光斑不夠均勻有光圈，二是存在無用的雜散光而浪費光能量。

目前業(yè)內解決上述問題的方案大致有三種：一、減小光源發(fā)光面積的同時，使用深度較大的反光杯；二、使用光學透鏡聚光；三、使用透鏡加反光杯的組合方式聚光。

上述第一種方案的光源功率無法提升，整個燈具的功率做不大，適用性不強；第二種方案為避免引起更大的光斑問題，透鏡表面都做了龜紋或者霧化處理，但是此處理方式會引起一系列的眩光問題，很少被采用；第三種方案，透鏡和反光杯需搭配使用，市場上已有具體的產品出現(xiàn)，光斑均勻性和光能利用率都有了很大改善，然而由于產品種類的多樣性，針對每一種產品都要開發(fā)對應的透鏡和反光杯，其通用性、開發(fā)周期、性價比均沒有很大的優(yōu)勢。

目前導軌射燈有很多系列，總計的型號更多，其中的絕大部分采用“COB光源，加一個聚光的反光杯，然后在反光杯上增加一個透明玻璃片以防塵”的架構，出光角度上大致可以分為三類：15°，24°，36°，雖然大部分反光杯是可以通用的，但是為了適應市場的需求，預估還是有一半的導軌射燈品種為了改善光斑，需要在光學和結構上做出一系列的改進。另一方面，又考慮到需要快速切入市場，原導軌射燈的結構應該不變，最好僅增加一個光學透鏡，即可優(yōu)化射燈的光斑。

現(xiàn)有射燈的光學結構如圖1所示：一個散熱器殼體11，其下部有個空腔，中部有一個平臺，上部的散熱器翅片連接著平臺；COB光源12放置在平臺中央，并朝著下部的空腔；COB支架13壓在COB光源12上，以固定光源；再下面是反光杯14；再下面是玻璃蓋16；再下面是前飾圈15，其托住玻璃蓋16和反光杯14，并有適當?shù)慕Y構倒扣在散熱器殼體11內側。這個架構中的光線分布如圖2所示，一部分光線被反光杯14聚集到既定角度以內，另一部分光線透過玻璃蓋16直接發(fā)散出來，由于射燈架構的問題，這部分發(fā)散出來的光線角度大于30°。由此，射燈的光斑存在明顯的光暈(內圈較亮，外圈較暗)，內圈較亮的部分是24°以內的光線，外圈較暗的部分是大于24°的光線(直接透過玻璃蓋16出來的光線)，光斑在24°邊界處的照度僅為中心照度的38％，整個光斑的照度分布并不均勻。大部分光線都超出了24°角，光線的有效利用率其實不高，僅占總光通量的三分之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種具有高有效光能的射燈，能夠使射燈的光線大部分光線入射在有效照明區(qū)域，有利于節(jié)能。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種具有高有效光能的射燈，其特征在于：

一個散熱器殼體，其下部有個空腔，中部有一個平臺，上部的散熱器翅片連接著平臺；COB光源放置在平臺中央，并朝著下部的空腔；COB支架壓在COB光源上；所述COB光源的下面是反光杯；所述反光杯下面是前飾圈，反光杯貼合到前飾圈上；一個透鏡夾在反光杯和COB支架之間，并反光杯扣在透鏡上；

所述透鏡是一個由外側輪廓及內側輪廓形成的碗形聚光透鏡；所述外側輪廓線是中心對稱的多項式非球面曲線，所述內側輪廓線是中心對稱的貝塞爾樣條曲線。

所述透透鏡的外側輪廓線是中心對稱的多項式非球面曲線與內側輪廓是中心對稱的貝塞爾樣條曲線，曲線形狀均采用lighttools光學軟件確定。

所述透鏡的外側輪廓線是中心對稱的多項式非球面曲線，其曲線公式為：

公式中x是輪廓橫軸參量，自變量；y是輪廓縱軸參量；c是非球面的曲率，k是圓錐曲線常數(shù)，C_2n是多項式的系數(shù)；系數(shù)c是正數(shù),系數(shù)k是負數(shù),系數(shù)C_2n在實數(shù)范圍內取值，n＝2ˉ10只是代表這個系數(shù)總共有九個：C₄、C₆、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀，如果C_2n沒有具體數(shù)值，默認系數(shù)值為0；這三類系數(shù)具體取值范圍是根據(jù)以下情況確定：

首先選擇圓錐曲線常數(shù)k值：根據(jù)光源到弧面的距離，由遠至近選擇輪廓線是圓，k＝0；橢圓，-1<k<0；拋物線，k＝-1；雙曲線，k<-1；

然后進一步根據(jù)光源的相對大小調節(jié)非球面曲率c值；

最后根據(jù)實際效果微調系數(shù)C_2n，具體數(shù)值以不對總數(shù)產生較大的干擾為宜，但又能局部范圍稍微調節(jié)總數(shù)大小，C₄-C₂₀這9個系數(shù)的物理含義為：低階系數(shù)調節(jié)整條曲線彎曲度，高階系數(shù)調節(jié)局部曲線，是調節(jié)拐角處的曲線平滑度，使第一部分的光線能夠聚光在既定角度內。

所述中心對稱的多項式非球面曲線公式中，取：

c＝0.05；k＝-0.8；n取3時，C₆＝2.5*10^-7；n取5時，C₁₀＝2.3*10^-12。

所述透鏡的內側輪廓是中心對稱的貝塞爾樣條曲線，采用二次有理貝塞爾曲線得到，公式如下：

式中P₀、P₂是曲線的兩個端點，P₁是曲線中間的控制點，P(t)是曲線上的擬合點，ω是控制點P₁的權重，t是自變量，其中：P₀＝(0，9.8)，P₁＝(9.88，10.24)，P₂＝(19，15)，ω＝0.68；

在采用所述二次有理貝塞爾曲線公式中，首先根據(jù)光源的大小確定一個端點P₂的坐標，然后調整另一個端點P₀的坐標，使得透鏡的第一部分光線進入既定的角度內，最后細細調整控制點P₁以及它的權重ω，ω∈[0，1]，使透鏡的第二部分光線也被反光杯反射到既定角度內。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明僅用一個透鏡，需要解決的難點有：1)假如繼續(xù)沿用原來的24°反光杯，本發(fā)明“透鏡+24°反光杯”的結果應該還是24°出光角度；2)在保證出光角度不變的前提下，本發(fā)明的光斑應得到改善，光斑均勻，沒有光暈；3)中心光強不能降低；4)光效也不能降低；5)不改變原結構的同時，透鏡能固定到原射燈里面。

本發(fā)明的方案解決了上述問題，能夠產生下述技術效果：

1)本發(fā)明的透鏡+反光杯的方案相比現(xiàn)有反光杯方案，沒有降低系統(tǒng)效率；

2)本發(fā)明的方案可以極大的提高峰值光強，大約提高30％；

3)本發(fā)明的方案對光線的控制更加精確、使大部分的光線入射在有效照明區(qū)域，減少光污染、眩光，從而更為節(jié)能；

4)本發(fā)明的方案可以消除光暈、其光斑更加銳利、更適合于重點照明應用；

5)本發(fā)明的透鏡設計過程中使用的方法更加全面科學，通過清晰明了的理論分析獲得數(shù)據(jù)上的定性范圍，又盡量利用軟件完成最繁復的數(shù)據(jù)計算，大大節(jié)約設計時間；

6)本發(fā)明的方案僅增加了一個透鏡就改善了光斑效果，在結構通用性上有著強大的優(yōu)勢，可以快速導入生產；

7)本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比由于結構上的改變非常小，由此產生的費用也比較低廉，性價比高。

為進一步說明本發(fā)明的上述目的、結構特點和效果，以下將結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有射燈的光學結構示意圖；

圖2為圖1所示射燈的光線分布圖；

圖3為本發(fā)明射燈的光學結構示意圖；

圖4為圖3所示射燈的光線分布圖；

圖5為圖3中的透鏡結構示意圖；

圖6為透鏡內側輪廓線采用的貝塞爾曲線的調節(jié)方式示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例的附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。

本發(fā)明是在不改變圖1所示射燈光學結構的情況下，僅增加一個透鏡達到優(yōu)化光斑的目的。

如圖3所示，本發(fā)明的方案中去掉現(xiàn)有射燈的玻璃蓋，增加一個透鏡36，本發(fā)明射燈的光學結構如圖3所示，一個散熱器殼體31，其下部有個空腔，中部有一個平臺，上部的散熱器翅片連接著平臺；COB光源32放置在平臺中央，并朝著下部的空腔；COB支架33壓在COB光源32上，以固定光源；COB光源32的下面是反光杯34；反光杯34下面是前飾圈35，反光杯34直接貼合到前飾圈35上；一個透鏡36夾在反光杯34和COB支架33之間，并反光杯34扣在透鏡36上。

透鏡36的結構如圖5所示，其是一個由外側輪廓51及內側輪廓52形成的碗形聚光透鏡，外側輪廓線51是中心對稱的多項式非球面曲線，內側輪廓線52是貝塞爾樣條曲線。

透鏡36的設計思路：如圖4所示，將COB光源32發(fā)出的光線分成兩部分處理，第一部分經過透鏡36聚光后直接出射到既定角度以內(如24°以內)，第二部分經過透鏡36調整后全部打在反光杯34上，然后再由反光杯34會聚到角度以內(如24°以內)。

整個透鏡36的形狀設計過程在lighttools光學軟件中確定完成(該lighttools光學軟件由美國Optical Research Associates(ORA)公司開發(fā)而成的光學系統(tǒng)建模軟件)。

透鏡的外側輪廓51是中心對稱的多項式非球面曲線，這種曲線具有調節(jié)方便、輪廓平滑、折射光線可以均勻會聚的優(yōu)勢，曲線公式為：

公式中x是輪廓橫軸參量(自變量)，y是輪廓縱軸參量，c是非球面的曲率，k是圓錐曲線常數(shù)，C_2n是多項式的系數(shù)。系數(shù)c是正數(shù),系數(shù)k是負數(shù),系數(shù)C_2n在實數(shù)范圍內取值，n＝2ˉ10只是代表這個系數(shù)總共有九個：C₄、C₆、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀，如果C_2n沒有具體數(shù)值，默認系數(shù)值為0。這三類系數(shù)具體取值范圍是根據(jù)實際情況來確定的。首先選擇圓錐曲線常數(shù)k值：一般根據(jù)光源到弧面的距離，由遠至近可選擇輪廓線是圓(k＝0)、橢圓(-1<k<0)、拋物線(k＝-1)、雙曲線(k<-1)；然后進一步根據(jù)光源的相對大小調節(jié)非球面曲率c值；最后根據(jù)實際效果微調系數(shù)C_2n，通常都是非常小的數(shù)值，具體數(shù)值以不對總數(shù)產生較大的干擾為宜，但又能局部范圍稍微調節(jié)總數(shù)大小，實際上這9個系數(shù)的物理含義可以理解為：低階系數(shù)調節(jié)整條曲線彎曲度，高階系數(shù)調節(jié)局部曲線，主要是調節(jié)拐角處的曲線平滑度，其作用是保證第一部分的光線能夠聚光在24°以內。適當調整這些系數(shù)，可以直觀的在軟件中看到光線的會聚角度。在本實施例中，c＝0.05，k＝-0.8，C₆＝2.5*10^-7(n取3時)，C₁₀＝2.3*10^-12(n取5時)。

透鏡的內側輪廓52是一條中心對稱的貝塞爾曲線。由于第二部分光線需要經過三個光學界面：透鏡內側輪廓、透鏡外側輪廓、反光杯內表面，反光杯內表面和透鏡外側輪廓在前面已經基本定型，透鏡內側輪廓52宜選擇樣條曲線來精細調節(jié)光線的出光角度，貝塞爾曲線作為樣條曲線的一種，其調節(jié)方式較簡單的同時也能兼顧到曲線各部分的精細分布。本實施例中透鏡內側輪廓采用了二次有理貝塞爾曲線得到，公式如下：

以下是上面公式的具體計算公式，坐標x、y的參數(shù)方程。

式中P₀、P₂是曲線的兩個端點，P₁是曲線中間的控制點，P(t)是曲線上的擬合點，ω是控制點P₁的權重，t是自變量。在Lighttools軟件的模擬分析過程中，首先根據(jù)光源的大小確定一個端點P₂的坐標，然后調整另一個端點P₀的坐標以使得透鏡的第一部分光線進入既定的角度內(如24°以內)，最后細細調整控制點P₁以及它的權重ω(ω∈[0，1])，以使得透鏡的第二部分光線也被反光杯反射到既定角度內。如圖6所示，貝塞爾曲線在lighttools光學軟件中的調節(jié)方式。本案例中，貝塞爾曲線的參數(shù)為：P0＝(0，9.8)，P1＝(9.88，10.24)，P2＝(19，15)，ω＝0.68。

在整個設計過程中，透鏡36的外側輪廓線51和內側輪廓線52對光線的出光角度都有影響，所以需要根據(jù)以上原理先大致確定一個參數(shù)，然后根據(jù)模擬結果，慢慢在小范圍內調整各參量的大小。這樣子既完成了理論分析，也利用光學軟件完成了繁雜的計算過程，大大節(jié)省了光學透鏡的設計時間。根據(jù)以上參數(shù)，射燈的光斑沒有明顯的光暈，所有光線都集中在一個光斑里面，沒有雜散光出線，光斑在24°邊界處的照度為中心照度的48％，整個光斑的均勻度大為提升。光線的有效利用率提高，24度以內的光線約占總光通量的二分之一。另外本發(fā)明結構的射燈中心光強也提升了三分之一。實際應用會比現(xiàn)有射燈要亮。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明的目的，而并非用作對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求的范圍內。