本發(fā)明涉及一種射燈，尤其是指一種通過光學(xué)結(jié)構(gòu)的改變具有高有效光能的射燈。

背景技術(shù)：

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

然而隨著應(yīng)用領(lǐng)域的深入，各類問題也隨之出現(xiàn)。本發(fā)明將涉足一個(gè)射燈的光學(xué)問題。初期的LED導(dǎo)軌射燈光學(xué)設(shè)計(jì)大部分是這樣的：COB光源，加一個(gè)聚光的反光杯，然后在反光杯上增加一個(gè)透明玻璃片以防塵，性價(jià)比很高，適用性也很強(qiáng)。然而當(dāng)射燈聚光角度在30°以下時(shí)，光學(xué)問題也就出現(xiàn)了：一部分光線被反光杯聚集到30°以內(nèi)，另一部分光線透過玻璃直接發(fā)散出來，由于射燈架構(gòu)的問題，這部分發(fā)散出來的光線總會(huì)有一些不在30°以內(nèi)，這引起了兩個(gè)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(fèi)光能量。

目前業(yè)內(nèi)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(shí)，使用深度較大的反光杯；二、使用光學(xué)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(gè)燈具的功率做不大，適用性不強(qiáng)；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(huì)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(chǎn)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(chǎn)品種類的多樣性，針對(duì)每一種產(chǎn)品都要開發(fā)對(duì)應(yīng)的透鏡和反光杯，其通用性、開發(fā)周期、性價(jià)比均沒有很大的優(yōu)勢(shì)。

目前導(dǎo)軌射燈有很多系列，總計(jì)的型號(hào)更多，其中的絕大部分采用“COB光源，加一個(gè)聚光的反光杯，然后在反光杯上增加一個(gè)透明玻璃片以防塵”的架構(gòu)，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(yīng)市場的需求，預(yù)估還是有一半的導(dǎo)軌射燈品種為了改善光斑，需要在光學(xué)和結(jié)構(gòu)上做出一系列的改進(jìn)。另一方面，又考慮到需要快速切入市場，原導(dǎo)軌射燈的結(jié)構(gòu)應(yīng)該不變，最好僅增加一個(gè)光學(xué)透鏡，即可優(yōu)化射燈的光斑。

現(xiàn)有射燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示：一個(gè)散熱器殼體11，其下部有個(gè)空腔，中部有一個(gè)平臺(tái)，上部的散熱器翅片連接著平臺(tái)；COB光源12放置在平臺(tái)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(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)倒扣在散熱器殼體11內(nèi)側(cè)。這個(gè)架構(gòu)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(nèi)，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(gòu)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(nèi)圈較亮，外圈較暗)，內(nèi)圈較亮的部分是24°以內(nèi)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(gè)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(shí)不高，僅占總光通量的三分之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)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(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種具有高有效光能的射燈，其特征在于：

一個(gè)散熱器殼體，其下部有個(gè)空腔，中部有一個(gè)平臺(tái)，上部的散熱器翅片連接著平臺(tái)；COB光源放置在平臺(tái)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(gè)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(gè)由外側(cè)輪廓及內(nèi)側(cè)輪廓形成的碗形聚光透鏡；所述外側(cè)輪廓線是中心對(duì)稱的多項(xiàng)式非球面曲線，所述內(nèi)側(cè)輪廓線是中心對(duì)稱的貝塞爾樣條曲線。

所述透透鏡的外側(cè)輪廓線是中心對(duì)稱的多項(xiàng)式非球面曲線與內(nèi)側(cè)輪廓是中心對(duì)稱的貝塞爾樣條曲線，曲線形狀均采用lighttools光學(xué)軟件確定。

所述透鏡的外側(cè)輪廓線是中心對(duì)稱的多項(xiàng)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(xiàng)式的系數(shù)；系數(shù)c是正數(shù),系數(shù)k是負(fù)數(shù),系數(shù)C_2n在實(shí)數(shù)范圍內(nèi)取值，n＝2ˉ10只是代表這個(gè)系數(shù)總共有九個(gè)：C₄、C₆、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀，如果C_2n沒有具體數(shù)值，默認(rèn)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(yuǎn)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(jìn)一步根據(jù)光源的相對(duì)大小調(diào)節(jié)非球面曲率c值；

最后根據(jù)實(shí)際效果微調(diào)系數(shù)C_2n，具體數(shù)值以不對(duì)總數(shù)產(chǎn)生較大的干擾為宜，但又能局部范圍稍微調(diào)節(jié)總數(shù)大小，C₄-C₂₀這9個(gè)系數(shù)的物理含義為：低階系數(shù)調(diào)節(jié)整條曲線彎曲度，高階系數(shù)調(diào)節(jié)局部曲線，是調(diào)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(nèi)。

所述中心對(duì)稱的多項(xiàng)式非球面曲線公式中，?。?/p>

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

所述透鏡的內(nèi)側(cè)輪廓是中心對(duì)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(gè)端點(diǎn)，P₁是曲線中間的控制點(diǎn)，P(t)是曲線上的擬合點(diǎn)，ω是控制點(diǎn)P₁的權(quán)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(gè)端點(diǎn)P₂的坐標(biāo)，然后調(diào)整另一個(gè)端點(diǎn)P₀的坐標(biāo)，使得透鏡的第一部分光線進(jìn)入既定的角度內(nèi)，最后細(xì)細(xì)調(diào)整控制點(diǎn)P₁以及它的權(quán)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(nèi)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明僅用一個(gè)透鏡，需要解決的難點(diǎn)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(jié)果應(yīng)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(yīng)得到改善，光斑均勻，沒有光暈；3)中心光強(qiáng)不能降低；4)光效也不能降低；5)不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的同時(shí)，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(chǎn)生下述技術(shù)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(qiáng)，大約提高30％；

3)本發(fā)明的方案對(duì)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(diǎn)照明應(yīng)用；

5)本發(fā)明的透鏡設(shè)計(jì)過程中使用的方法更加全面科學(xué)，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(fù)的數(shù)據(jù)計(jì)算，大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間；

6)本發(fā)明的方案僅增加了一個(gè)透鏡就改善了光斑效果，在結(jié)構(gòu)通用性上有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，可以快速導(dǎo)入生產(chǎn)；

7)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比由于結(jié)構(gòu)上的改變非常小，由此產(chǎn)生的費(fèi)用也比較低廉，性價(jià)比高。

為進(jìn)一步說明本發(fā)明的上述目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有射燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為透鏡內(nèi)側(cè)輪廓線采用的貝塞爾曲線的調(diào)節(jié)方式示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明是在不改變圖1所示射燈光學(xué)結(jié)構(gòu)的情況下，僅增加一個(gè)透鏡達(dá)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(gè)透鏡36，本發(fā)明射燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示，一個(gè)散熱器殼體31，其下部有個(gè)空腔，中部有一個(gè)平臺(tái)，上部的散熱器翅片連接著平臺(tái)；COB光源32放置在平臺(tái)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(gè)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(jié)構(gòu)如圖5所示，其是一個(gè)由外側(cè)輪廓51及內(nèi)側(cè)輪廓52形成的碗形聚光透鏡，外側(cè)輪廓線51是中心對(duì)稱的多項(xiàng)式非球面曲線，內(nèi)側(cè)輪廓線52是貝塞爾樣條曲線。

透鏡36的設(shè)計(jì)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(jīng)過透鏡36聚光后直接出射到既定角度以內(nèi)(如24°以內(nèi))，第二部分經(jīng)過透鏡36調(diào)整后全部打在反光杯34上，然后再由反光杯34會(huì)聚到角度以內(nèi)(如24°以內(nèi))。

整個(gè)透鏡36的形狀設(shè)計(jì)過程在lighttools光學(xué)軟件中確定完成(該lighttools光學(xué)軟件由美國Optical Research Associates(ORA)公司開發(fā)而成的光學(xué)系統(tǒng)建模軟件)。

透鏡的外側(cè)輪廓51是中心對(duì)稱的多項(xiàng)式非球面曲線，這種曲線具有調(diào)節(jié)方便、輪廓平滑、折射光線可以均勻會(huì)聚的優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)式的系數(shù)。系數(shù)c是正數(shù),系數(shù)k是負(fù)數(shù),系數(shù)C_2n在實(shí)數(shù)范圍內(nèi)取值，n＝2ˉ10只是代表這個(gè)系數(shù)總共有九個(gè)：C₄、C₆、C₈、C₁₀、C₁₂、C₁₄、C₁₆、C₁₈、C₂₀，如果C_2n沒有具體數(shù)值，默認(rèn)系數(shù)值為0。這三類系數(shù)具體取值范圍是根據(jù)實(shí)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(yuǎn)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(jìn)一步根據(jù)光源的相對(duì)大小調(diào)節(jié)非球面曲率c值；最后根據(jù)實(shí)際效果微調(diào)系數(shù)C_2n，通常都是非常小的數(shù)值，具體數(shù)值以不對(duì)總數(shù)產(chǎn)生較大的干擾為宜，但又能局部范圍稍微調(diào)節(jié)總數(shù)大小，實(shí)際上這9個(gè)系數(shù)的物理含義可以理解為：低階系數(shù)調(diào)節(jié)整條曲線彎曲度，高階系數(shù)調(diào)節(jié)局部曲線，主要是調(diào)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(nèi)。適當(dāng)調(diào)整這些系數(shù)，可以直觀的在軟件中看到光線的會(huì)聚角度。在本實(shí)施例中，c＝0.05，k＝-0.8，C₆＝2.5*10^-7(n取3時(shí))，C₁₀＝2.3*10^-12(n取5時(shí))。

透鏡的內(nèi)側(cè)輪廓52是一條中心對(duì)稱的貝塞爾曲線。由于第二部分光線需要經(jīng)過三個(gè)光學(xué)界面：透鏡內(nèi)側(cè)輪廓、透鏡外側(cè)輪廓、反光杯內(nèi)表面，反光杯內(nèi)表面和透鏡外側(cè)輪廓在前面已經(jīng)基本定型，透鏡內(nèi)側(cè)輪廓52宜選擇樣條曲線來精細(xì)調(diào)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(diào)節(jié)方式較簡單的同時(shí)也能兼顧到曲線各部分的精細(xì)分布。本實(shí)施例中透鏡內(nèi)側(cè)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(jì)算公式，坐標(biāo)x、y的參數(shù)方程。

式中P₀、P₂是曲線的兩個(gè)端點(diǎn)，P₁是曲線中間的控制點(diǎn)，P(t)是曲線上的擬合點(diǎn)，ω是控制點(diǎn)P₁的權(quán)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(gè)端點(diǎn)P₂的坐標(biāo)，然后調(diào)整另一個(gè)端點(diǎn)P₀的坐標(biāo)以使得透鏡的第一部分光線進(jìn)入既定的角度內(nèi)(如24°以內(nèi))，最后細(xì)細(xì)調(diào)整控制點(diǎn)P₁以及它的權(quán)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(nèi)。如圖6所示，貝塞爾曲線在lighttools光學(xué)軟件中的調(diào)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(gè)設(shè)計(jì)過程中，透鏡36的外側(cè)輪廓線51和內(nèi)側(cè)輪廓線52對(duì)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(gè)參數(shù)，然后根據(jù)模擬結(jié)果，慢慢在小范圍內(nèi)調(diào)整各參量的大小。這樣子既完成了理論分析，也利用光學(xué)軟件完成了繁雜的計(jì)算過程，大大節(jié)省了光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)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(gè)光斑的均勻度大為提升。光線的有效利用率提高，24度以內(nèi)的光線約占總光通量的二分之一。另外本發(fā)明結(jié)構(gòu)的射燈中心光強(qiáng)也提升了三分之一。實(shí)際應(yīng)用會(huì)比現(xiàn)有射燈要亮。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明的目的，而并非用作對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。