[发明专利]LED路灯的反射杯

摘要

本发明提供了LED路灯的反射杯，包括底面和反射面，底面的中央放置有LED，LED直接从反射杯开口出射的那部分光照射到目标面上形成初始的矩形照明区域，反射面用于反射其余的光到该初始的矩形照明区域，使该两部分光的能量叠加后形成均匀的矩形照明区域，反射面为自由曲面，该自由曲面的形状通过如下方法确定：所述反射杯的自由曲面的形状关于XOZ平面和YOZ平面对称，先确定XOY第一象限所对应的部分自由曲面形状，然后通过将该部分自由曲面相对于XOZ平面和YOZ平面进行两次对称即得到所述反射面的形状。本发明所提供的反射杯可以实现LED路灯照射出均匀矩形光斑的效果。

主权项

1、LED路灯的反射杯，包括底面和反射面，反射面为自由曲面，底面为中间有圆形缺口的平面区域，LED位于缺口处，LED直接从反射杯开口出射的那部分光照射到目标面上形成初始的矩形照明区域，反射面用于反射其余的光到该初始的矩形照明区域，使该两部分光的能量叠加后形成均匀的矩形照明区域，其特征在于反射面为自由曲面，该自由曲面的形状通过如下方法确定：以LED底面的圆心为原点建立坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，Z轴的正方向朝向反射杯的开口，所述反射杯的自由曲面的形状关于XOZ平面和YOZ平面对称，先确定XOY第一象限所对应的部分自由曲面形状，然后通过将该部分自由曲面相对于XOZ平面和YOZ平面进行两次对称即得到所述反射面的形状，第一象限所对应的部分自由曲面按照沿X轴和Y轴方向分为两部分：沿X轴方向为侧面部分和沿Y轴方向为端面部分；由于总能量是守恒的，确定侧面部分后，将剩余的能量与端面对应，再确定端面部分，求解侧面部分上点的坐标由如下步骤确定：(1)确定初始条件并对目标照明区域划分网格，LED光源为朗伯源，首先目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是长为a，宽为b的矩形区域，该区域在上述XOY坐标系的第一象限部分的长边为a/2，短边为b/2，LED光源的总光通量为φ，目标照明区域的平均照度为Ev，Ev等于所述总光通量除以目标照明区域面积，LED中心光强为I₀＝φ/π；将目标照明矩形区域沿X轴方向以步长k等分成m份，沿Y轴方向以步长k等分成n份，得到x(m)和y(n)的数组；这样在目标照明区域第一象限就形成了m×n个等面积的正方形网格，对应的，通过计算每一个网格的能量，将LED光源出射光线在θ角上分成m份，在角上分成n份，θ角为光线在XOY平面上的投影与Y轴的夹角，角为出射光线与Z轴正向的夹角；(2)通过能量守恒计算光线出射的θ角，将目标照明区域第一象限沿着X轴方向划分等步长n份，这样在目标照明区域第一象限就会出现n个矩形区域：第一步，计算最终目标照明区域X轴方向每条矩形区域所对应的能量：Energy=k·b2·Ev;]]>第二步，计算目标区域X轴方向每条矩形区域所对应的直射光能量：LED光源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，利用照度光强与距离的平方反比关系，得到目标区域的照度分布为：f(x,y)=I0·h2(x2+y2+h2)2,]]>直射能量为照度分布对于目标区域的二重积分：DirectEn=∫x(m)x(m+1)∫0b2f(x,y)dxdy;]]>第三步，确定反射杯口的边界角值：直接出射的那部分光在目标照明面上是直接形成一个矩形光斑的，反射杯出口边界线上所有点的角是一定的，在确定了步骤(1)中的初始条件后，直接以目标照明区域的边界坐标值求解反射杯口的边界角值：将m，n的取值遍历边界上所有的点，即求出反射杯口边界上所对应的所有角的值；第四步，由能量守恒求出θ角：每条矩形区域中，通过反射到达的能量为：其中为上面第三步所计算的边界角值；反射能量等于总能量减去直射能量，从而得到能量守恒等式；通过计算机迭代计算求出一系列离散θ值；由目标区域的长宽比为a/b，对应的反射杯口也设为相同比例，当arctan(θ)大于a/b时截止，记录下此时所对应的目标区域的长度，即x坐标；(3)由能量守恒计算角，目标区域的每一小方格的面积为k²：计算每一小格的总能量：energy＝Ev·k²；再计算每一小格的直射能量为：DirectEn=∫x(m)x(m+1)∫y(n)y(n+1)f(x,y)dxdy,]]>其中f(x，y)为目标区域照度分布；通过能量守恒求角，反射能量为：等于总能量减去直射能量，通过计算机迭代计算出角数组；(4)由反射定律和求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，所述的反射定律公式为：2-2·(Out→·In→)·N→=Out→-n·In→,]]>其中n为折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；在计算中，首先确定一个计算的初始点，该初始点坐标决定了整个反射杯的大小，由这个初始点算出一条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点算出整个自由曲面，计算方法：由(3)中所确定的θ和求出入射光线的单位向量；通过初始点的坐标和与其对应的反射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点；由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标，由此确定了长边曲面的坐标；所述端面部分自由曲面上点的坐标由如下方法确定：首先确定初始直线为经过长边边界的终点，垂直于X轴的直线；通过上述(2)的已得到的侧面对应的目标区域的长度，可以得到所剩下的区域的位置和大小；为了更好的配合端面的整体曲率，将θ的变化对应于目标区域Y值的变化，的变化对应于X轴的变化；端面部分上点的算法与上述求侧面部分上点的坐标方法相同；利用机械仿真软件将上述得到的侧面部分和端面部分上的点拟合为曲面，再将得到的曲面对应于XOZ平面和YOZ平面镜像，得到最终的反射杯曲面。