一种具有高有效光能的射灯的制作方法

本发明涉及一种射灯，尤其是指一种通过光学结构的改变具有高有效光能的射灯。

背景技术：

随着LED光源的进一步发展，越来越多的人认识到这种光源的优势：绿色、节能、长寿命、易维护等。在商业照明领域，有一种导轨射灯的灯具随着新光源的应用蓬勃发展起来。相较于传统导轨射灯，新的LED导轨射灯似乎更加适用于这种灯具类型，有着更加广阔的应用市场。在各大商业超市照明中，LED导轨射灯成为了一个不可或缺的灯具类型。

然而随着应用领域的深入，各类问题也随之出现。本发明将涉足一个射灯的光学问题。初期的LED导轨射灯光学设计大部分是这样的：COB光源，加一个聚光的反光杯，然后在反光杯上增加一个透明玻璃片以防尘，性价比很高，适用性也很强。然而当射灯聚光角度在30°以下时，光学问题也就出现了：一部分光线被反光杯聚集到30°以内，另一部分光线透过玻璃直接发散出来，由于射灯架构的问题，这部分发散出来的光线总会有一些不在30°以内，这引起了两个问题，一是光斑不够均匀有光圈，二是存在无用的杂散光而浪费光能量。

目前业内解决上述问题的方案大致有三种：一、减小光源发光面积的同时，使用深度较大的反光杯；二、使用光学透镜聚光；三、使用透镜加反光杯的组合方式聚光。

上述第一种方案的光源功率无法提升，整个灯具的功率做不大，适用性不强；第二种方案为避免引起更大的光斑问题，透镜表面都做了龟纹或者雾化处理，但是此处理方式会引起一系列的眩光问题，很少被采用；第三种方案，透镜和反光杯需搭配使用，市场上已有具体的产品出现，光斑均匀性和光能利用率都有了很大改善，然而由于产品种类的多样性，针对每一种产品都要开发对应的透镜和反光杯，其通用性、开发周期、性价比均没有很大的优势。

目前导轨射灯有很多系列，总计的型号更多，其中的绝大部分采用“COB光源，加一个聚光的反光杯，然后在反光杯上增加一个透明玻璃片以防尘”的架构，出光角度上大致可以分为三类：15°，24°，36°，虽然大部分反光杯是可以通用的，但是为了适应市场的需求，预估还是有一半的导轨射灯品种为了改善光斑，需要在光学和结构上做出一系列的改进。另一方面，又考虑到需要快速切入市场，原导轨射灯的结构应该不变，最好仅增加一个光学透镜，即可优化射灯的光斑。

现有射灯的光学结构如图1所示：一个散热器壳体11，其下部有个空腔，中部有一个平台，上部的散热器翅片连接着平台；COB光源12放置在平台中央，并朝着下部的空腔；COB支架13压在COB光源12上，以固定光源；再下面是反光杯14；再下面是玻璃盖16；再下面是前饰圈15，其托住玻璃盖16和反光杯14，并有适当的结构倒扣在散热器壳体11内侧。这个架构中的光线分布如图2所示，一部分光线被反光杯14聚集到既定角度以内，另一部分光线透过玻璃盖16直接发散出来，由于射灯架构的问题，这部分发散出来的光线角度大于30°。由此，射灯的光斑存在明显的光晕(内圈较亮，外圈较暗)，内圈较亮的部分是24°以内的光线，外圈较暗的部分是大于24°的光线(直接透过玻璃盖16出来的光线)，光斑在24°边界处的照度仅为中心照度的38％，整个光斑的照度分布并不均匀。大部分光线都超出了24°角，光线的有效利用率其实不高，仅占总光通量的三分之一。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种具有高有效光能的射灯，能够使射灯的光线大部分光线入射在有效照明区域，有利于节能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有高有效光能的射灯，其特征在于：

一个散热器壳体，其下部有个空腔，中部有一个平台，上部的散热器翅片连接着平台；COB光源放置在平台中央，并朝着下部的空腔；COB支架压在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饰圈，反光杯贴合到前饰圈上；一个透镜夹在反光杯和COB支架之间，并反光杯扣在透镜上；

所述透镜是一个由外侧轮廓及内侧轮廓形成的碗形聚光透镜；所述外侧轮廓线是中心对称的多项式非球面曲线，所述内侧轮廓线是中心对称的贝塞尔样条曲线。

所述透透镜的外侧轮廓线是中心对称的多项式非球面曲线与内侧轮廓是中心对称的贝塞尔样条曲线，曲线形状均采用lighttools光学软件确定。

所述透镜的外侧轮廓线是中心对称的多项式非球面曲线，其曲线公式为：

公式中x是轮廓横轴参量，自变量；y是轮廓纵轴参量；c是非球面的曲率，k是圆锥曲线常数，C_2n是多项式的系数；系数c是正数,系数k是负数,系数C_2n在实数范围内取值，n＝2ˉ10只是代表这个系数总共有九个：C₄、C₆、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀，如果C_2n没有具体数值，默认系数值为0；这三类系数具体取值范围是根据以下情况确定：

首先选择圆锥曲线常数k值：根据光源到弧面的距离，由远至近选择轮廓线是圆，k＝0；椭圆，-1<k<0；抛物线，k＝-1；双曲线，k<-1；

然后进一步根据光源的相对大小调节非球面曲率c值；

最后根据实际效果微调系数C_2n，具体数值以不对总数产生较大的干扰为宜，但又能局部范围稍微调节总数大小，C₄-C₂₀这9个系数的物理含义为：低阶系数调节整条曲线弯曲度，高阶系数调节局部曲线，是调节拐角处的曲线平滑度，使第一部分的光线能够聚光在既定角度内。

所述中心对称的多项式非球面曲线公式中，取：

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

所述透镜的内侧轮廓是中心对称的贝塞尔样条曲线，采用二次有理贝塞尔曲线得到，公式如下：

式中P₀、P₂是曲线的两个端点，P₁是曲线中间的控制点，P(t)是曲线上的拟合点，ω是控制点P₁的权重，t是自变量，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贝塞尔曲线公式中，首先根据光源的大小确定一个端点P₂的坐标，然后调整另一个端点P₀的坐标，使得透镜的第一部分光线进入既定的角度内，最后细细调整控制点P₁以及它的权重ω，ω∈[0，1]，使透镜的第二部分光线也被反光杯反射到既定角度内。

本发明的有益效果：

本发明仅用一个透镜，需要解决的难点有：1)假如继续沿用原来的24°反光杯，本发明“透镜+24°反光杯”的结果应该还是24°出光角度；2)在保证出光角度不变的前提下，本发明的光斑应得到改善，光斑均匀，没有光晕；3)中心光强不能降低；4)光效也不能降低；5)不改变原结构的同时，透镜能固定到原射灯里面。

本发明的方案解决了上述问题，能够产生下述技术效果：

1)本发明的透镜+反光杯的方案相比现有反光杯方案，没有降低系统效率；

2)本发明的方案可以极大的提高峰值光强，大约提高30％；

3)本发明的方案对光线的控制更加精确、使大部分的光线入射在有效照明区域，减少光污染、眩光，从而更为节能；

4)本发明的方案可以消除光晕、其光斑更加锐利、更适合于重点照明应用；

5)本发明的透镜设计过程中使用的方法更加全面科学，通过清晰明了的理论分析获得数据上的定性范围，又尽量利用软件完成最繁复的数据计算，大大节约设计时间；

6)本发明的方案仅增加了一个透镜就改善了光斑效果，在结构通用性上有着强大的优势，可以快速导入生产；

7)本发明与现有技术相比由于结构上的改变非常小，由此产生的费用也比较低廉，性价比高。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为现有射灯的光学结构示意图；

图2为图1所示射灯的光线分布图；

图3为本发明射灯的光学结构示意图；

图4为图3所示射灯的光线分布图；

图5为图3中的透镜结构示意图；

图6为透镜内侧轮廓线采用的贝塞尔曲线的调节方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明是在不改变图1所示射灯光学结构的情况下，仅增加一个透镜达到优化光斑的目的。

如图3所示，本发明的方案中去掉现有射灯的玻璃盖，增加一个透镜36，本发明射灯的光学结构如图3所示，一个散热器壳体31，其下部有个空腔，中部有一个平台，上部的散热器翅片连接着平台；COB光源32放置在平台中央，并朝着下部的空腔；COB支架33压在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下面是前饰圈35，反光杯34直接贴合到前饰圈35上；一个透镜36夹在反光杯34和COB支架33之间，并反光杯34扣在透镜36上。

透镜36的结构如图5所示，其是一个由外侧轮廓51及内侧轮廓52形成的碗形聚光透镜，外侧轮廓线51是中心对称的多项式非球面曲线，内侧轮廓线52是贝塞尔样条曲线。

透镜36的设计思路：如图4所示，将COB光源32发出的光线分成两部分处理，第一部分经过透镜36聚光后直接出射到既定角度以内(如24°以内)，第二部分经过透镜36调整后全部打在反光杯34上，然后再由反光杯34会聚到角度以内(如24°以内)。

整个透镜36的形状设计过程在lighttools光学软件中确定完成(该lighttools光学软件由美国Optical Research Associates(ORA)公司开发而成的光学系统建模软件)。

透镜的外侧轮廓51是中心对称的多项式非球面曲线，这种曲线具有调节方便、轮廓平滑、折射光线可以均匀会聚的优势，曲线公式为：

公式中x是轮廓横轴参量(自变量)，y是轮廓纵轴参量，c是非球面的曲率，k是圆锥曲线常数，C_2n是多项式的系数。系数c是正数,系数k是负数,系数C_2n在实数范围内取值，n＝2ˉ10只是代表这个系数总共有九个：C₄、C₆、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀，如果C_2n没有具体数值，默认系数值为0。这三类系数具体取值范围是根据实际情况来确定的。首先选择圆锥曲线常数k值：一般根据光源到弧面的距离，由远至近可选择轮廓线是圆(k＝0)、椭圆(-1<k<0)、抛物线(k＝-1)、双曲线(k<-1)；然后进一步根据光源的相对大小调节非球面曲率c值；最后根据实际效果微调系数C_2n，通常都是非常小的数值，具体数值以不对总数产生较大的干扰为宜，但又能局部范围稍微调节总数大小，实际上这9个系数的物理含义可以理解为：低阶系数调节整条曲线弯曲度，高阶系数调节局部曲线，主要是调节拐角处的曲线平滑度，其作用是保证第一部分的光线能够聚光在24°以内。适当调整这些系数，可以直观的在软件中看到光线的会聚角度。在本实施例中，c＝0.05，k＝-0.8，C₆＝2.5*10^-7(n取3时)，C₁₀＝2.3*10^-12(n取5时)。

透镜的内侧轮廓52是一条中心对称的贝塞尔曲线。由于第二部分光线需要经过三个光学界面：透镜内侧轮廓、透镜外侧轮廓、反光杯内表面，反光杯内表面和透镜外侧轮廓在前面已经基本定型，透镜内侧轮廓52宜选择样条曲线来精细调节光线的出光角度，贝塞尔曲线作为样条曲线的一种，其调节方式较简单的同时也能兼顾到曲线各部分的精细分布。本实施例中透镜内侧轮廓采用了二次有理贝塞尔曲线得到，公式如下：

以下是上面公式的具体计算公式，坐标x、y的参数方程。

式中P₀、P₂是曲线的两个端点，P₁是曲线中间的控制点，P(t)是曲线上的拟合点，ω是控制点P₁的权重，t是自变量。在Lighttools软件的模拟分析过程中，首先根据光源的大小确定一个端点P₂的坐标，然后调整另一个端点P₀的坐标以使得透镜的第一部分光线进入既定的角度内(如24°以内)，最后细细调整控制点P₁以及它的权重ω(ω∈[0，1])，以使得透镜的第二部分光线也被反光杯反射到既定角度内。如图6所示，贝塞尔曲线在lighttools光学软件中的调节方式。本案例中，贝塞尔曲线的参数为：P0＝(0，9.8)，P1＝(9.88，10.24)，P2＝(19，15)，ω＝0.68。

在整个设计过程中，透镜36的外侧轮廓线51和内侧轮廓线52对光线的出光角度都有影响，所以需要根据以上原理先大致确定一个参数，然后根据模拟结果，慢慢在小范围内调整各参量的大小。这样子既完成了理论分析，也利用光学软件完成了繁杂的计算过程，大大节省了光学透镜的设计时间。根据以上参数，射灯的光斑没有明显的光晕，所有光线都集中在一个光斑里面，没有杂散光出线，光斑在24°边界处的照度为中心照度的48％，整个光斑的均匀度大为提升。光线的有效利用率提高，24度以内的光线约占总光通量的二分之一。另外本发明结构的射灯中心光强也提升了三分之一。实际应用会比现有射灯要亮。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。