專利名稱：Led路燈的反射杯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED照明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種LED路燈的反射杯。
技術(shù)背景現(xiàn)有的路燈光源大多采用高壓鈉燈、高壓汞燈，消耗功率較大，工作電壓高，啟動(dòng)時(shí) 間較慢，燈泡使用壽命短，使得燈管更換率過(guò)高，維護(hù)成本大幅上升。LED作為一種新型的固體光源，同傳統(tǒng)光源相比具有很多優(yōu)勢(shì)，如節(jié)能，環(huán)保，易 于調(diào)節(jié)，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合作為各種照明領(lǐng)域的光源，比如道路照明光源。道路照明系統(tǒng)不同于一般的照明燈具，其照明的場(chǎng)最好為矩形區(qū)域，以提高光的利用 率。根據(jù)國(guó)家公路照明標(biāo)準(zhǔn)，要滿足在一矩形的被照平面上(一般是10米X35米)的平 均照度以及照度均勻度。由于LED光源發(fā)出的光近似朗伯型，即光強(qiáng)呈余弦分布，直接用于照明，會(huì)在路面 上形成一個(gè)不均勻的圓斑，中心處很亮，而在徑向衰減很快。這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的光學(xué)系 統(tǒng)來(lái)重新配光。目前出現(xiàn)的LED路燈，往往都是采用LED光源加透鏡的方式來(lái)達(dá)到路面 上產(chǎn)生均勻矩形斑的效果，但是這種方案會(huì)由于光的折射而損失較大的光能，不利于光能 利用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足,提供LED路燈的反射杯，能使LED 路燈在路面形成均勻矩形照明區(qū)域。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的反射杯涉及兩部分能量分配， 一部分為直接從燈具出射的能量，另一部分為 被反射杯反射出燈具的能量。本發(fā)明的LED路燈的反射杯，包括底面和反射面，反射面為自由曲面，底面為中間 有圓形缺口的平面區(qū)域，LED放在缺口處，LED直接從反射杯開口出射的那部分光照射 到目標(biāo)面上形成初始的矩形照明區(qū)域，反射面用于反射其余的光到該初始的矩形照明區(qū) 域，使該兩部分光的能量疊加后形成均勻的矩形照明區(qū)域，反射面為自由曲面，該自由曲 面的形狀通過(guò)如下方法確定首先以LED底面的圓心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為義Oy平面，過(guò)原點(diǎn)并與zoy平面垂直的軸為z軸，所述反射杯的形狀關(guān)于zoz平面和yoz平面對(duì)稱，所以先計(jì)算第一象限的部分，然后通過(guò)將自由曲面在第一象限的部分相對(duì)于^OZ平 面和K Z平面進(jìn)行兩次對(duì)稱即得到最后的反射杯。在計(jì)算第一象限的自由曲面時(shí)，將其分為兩部分計(jì)算，分別為側(cè)面部分(沿X軸方向)和端面部分(沿r軸方向)。由于總能量是守恒的，可以在計(jì)算完側(cè)面部分后，將剩余的能量與端面對(duì)應(yīng)。在計(jì)算反射杯自由曲面和劃分目標(biāo)照明區(qū)域的時(shí)候使用直角坐標(biāo)系 表示，而在分配光源的能量時(shí)采用球坐標(biāo)表示。(1) 確定初始條件并對(duì)目標(biāo)照明區(qū)域劃分網(wǎng)格。首先目標(biāo)照明面與LED的距離為/z，目標(biāo)照明區(qū)域是長(zhǎng)為fl，寬為6的矩形區(qū)域，取其第一象限為研究對(duì)象，則長(zhǎng)邊為a/2，側(cè)邊為6/2， LED光源的總光通量為^，目標(biāo)區(qū)域的平均照度為五v (五v為總光通量除以目標(biāo)區(qū)域面積)，中心光強(qiáng)為/。-^/;r。將目 標(biāo)照明矩形區(qū)域沿Z軸方向以步長(zhǎng)A等分成m份，沿r軸方向以步長(zhǎng)A:等分成"份，得到 和的數(shù)組。這樣在目標(biāo)照明區(qū)域第一象限就形成了 mx 個(gè)等面積的正方形網(wǎng) 格。對(duì)應(yīng)的，通過(guò)計(jì)算每一份網(wǎng)格的能量，將光源出射光線離散化，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)照明區(qū)域 在第一象限的劃分，在e角上分成m份，在p角上分成w份。(2) 通過(guò)能量守恒計(jì)算光線出射的e角(e角為光線在zoy平面上的投影與r軸的夾角)第一步，計(jì)算目標(biāo)區(qū)域Z軸方向每條矩形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的最后能量 第二步，計(jì)算目標(biāo)區(qū)域I軸方向每條矩形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的直射能量因?yàn)槭褂玫腖ED光源為朗伯源，其光強(qiáng)分布為中心光強(qiáng)的余弦分布，利用照度光強(qiáng)與距 離的平方反比關(guān)系，可以得到目標(biāo)區(qū)域的照度分布為(jc2 +J/2 +/ 2)2 直射能量為照度分布對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的二重積分Jx(/m) J3第三步，確定反射杯口的邊界^角值(^角為出射光線與Z軸正向的夾角)由于本方法中直接出射的那部分光在目標(biāo)照明面上是直接形成一個(gè)矩形光斑的，所以 反射杯口的形狀雖然不一定是一個(gè)矩形，但是杯口邊界線上所有點(diǎn)的^角是一定的。在確定了初始條件以后，可直接以目標(biāo)照明區(qū)域的邊界坐標(biāo)值求解反射杯口的邊界^角值, 、 + jx(w)2+_y(n)2 、 p(w， 《) = arctan(v ~八 )只要將m,"的取值遍歷邊界上所有的點(diǎn)，即可求出反射杯口邊界上所對(duì)應(yīng)的所有p角的值。第四步，由能量守恒求出汐角-反射能量為-i(附)i 7。. cos("). sin(^卿其中p為上面第三步所計(jì)算的邊界p。又反射能量等于總能量減去直射能量，從而得 到能量守恒等式。通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算可以求出一系列P值。由目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)寬比為"/6, 對(duì)應(yīng)的反射杯口也設(shè)為相同比例,所以當(dāng)arctan(e)大于a/6時(shí)截止，記錄下此時(shí)所對(duì)應(yīng)的 目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度，即JC坐標(biāo)。(3) 由能量守恒計(jì)算p角以目標(biāo)區(qū)域的每一小方格作為研究對(duì)象，面積為P。 第一步，計(jì)算每一小格的總能量第二步，計(jì)算每一小格的直射能量為-產(chǎn)(附+l) -M+l)其中/(x,力為目標(biāo)區(qū)域照度分布。第三步，通過(guò)能量守恒求^角，反射能量為等于總能量減去直射能量。通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算出p角數(shù)組。(4) 由反射定律和求出所述曲面上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切平面，通過(guò)求切平面與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)。所述的反射定律公式為其中W為折射率，^為入射光線單位向量，0^為出射光線單位向量，^為單位法向量； 在計(jì)算中，首先確定一個(gè)計(jì)算的初始點(diǎn)，該初始點(diǎn)坐標(biāo)決定了整個(gè)反射杯的大小，由這個(gè) 初始點(diǎn)算出一條邊界曲線，再由邊界曲線的上的每一個(gè)點(diǎn)為初始點(diǎn)算出整個(gè)自由曲面。計(jì)算方法由(3)中所確定的e和^可以求出入射光線的單位向量，通過(guò)初始點(diǎn)的坐標(biāo)和與其對(duì)應(yīng)的反射光線的單位向量，可以得到初始點(diǎn)的法向向量，從而確定該點(diǎn)的切平面， 該切平面與第二點(diǎn)的入射光線相交從而確定第二點(diǎn)。由前一點(diǎn)的切平面與下一點(diǎn)的法向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代可得出所有點(diǎn)的坐標(biāo)。由此確定了長(zhǎng)邊曲 面的坐標(biāo)。(5) 計(jì)算反射杯端面的曲面坐標(biāo)首先確定初始直線為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)邊邊界的終點(diǎn)，垂直于X軸的直線。由于在(2)的結(jié)尾已經(jīng)記錄了側(cè)面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度，可以得到所剩下的區(qū)域的位置和大小。為了更好 的配合端面的整體曲率，將p的變化對(duì)應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域y值的變化，p的變化對(duì)應(yīng)于z軸的變化。算法與求側(cè)面相同，不再重述。(6) 利用機(jī)械仿真軟件將得到的點(diǎn)擬合為曲面得到的曲面為對(duì)應(yīng)于ioz平面和roz平面鏡像，可以得到最終的反射杯曲面。上述的LED路燈的反射杯中，m,w的取值越大，步驟(4)得到所述曲面上的離散點(diǎn)越多，由這些離散點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合能得到更精確的所述曲面。上述的LED路燈的反射杯中，(4)中所述初始點(diǎn)坐標(biāo)決定了整個(gè)反射杯的大小，因 為反射杯上其他點(diǎn)的坐標(biāo)都直接或間接由這點(diǎn)坐標(biāo)求出。初始點(diǎn)坐標(biāo)需要通過(guò)具體路燈燈 具和LED光源尺寸確定反射杯大小，從而決定初始點(diǎn)坐標(biāo)。上述的LED路燈的反射杯中，(4)中所述的由(3)中所確定的e和p求出每一條入射光線的單位向量i^，其具體表達(dá)式為= (sin(e). sin(p), cos(P). sin(p), cos(p))。本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明提供一種LED路燈燈具所用反射杯，通過(guò)反射杯 的內(nèi)表面自由曲面來(lái)約束LED的出光方向，使其照明區(qū)域稱為一矩形均勻照明面，符合 國(guó)家道路照明的光分布與照度要求。由于LED光源直接出射所照出區(qū)域?yàn)閳A形區(qū)域，所 以必須對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)重新分配能量，來(lái)達(dá)到照射出矩形光斑的效果。傳統(tǒng)的路燈在路面的照射光斑為圓形，大量的光能照射到路面以外的區(qū)域，導(dǎo)致了光能的浪費(fèi)。 考慮到路面的形狀,本發(fā)明設(shè)計(jì)光源照射區(qū)域的形狀為矩形，則可大幅提高光能的利用率。
圖l為實(shí)施方式中求解反射杯自由曲面中LED光源及其球坐標(biāo)圖。 圖2為實(shí)施方式中目標(biāo)區(qū)域和第一象限劃分網(wǎng)格圖。 圖3為實(shí)施方式中反射杯的俯視圖。圖4為實(shí)施方式中反射杯的三維立體圖。 圖5為實(shí)施方式中反射杯加上光路分析的俯視圖。 圖6為實(shí)施方式中反射杯的側(cè)視圖。 圖7為實(shí)施方式中目標(biāo)照明區(qū)域上的照度分布圖。 圖8為實(shí)施方式中目標(biāo)照明區(qū)域上的光強(qiáng)分布圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。(1) 確定初始條件并對(duì)目標(biāo)照明區(qū)域劃分網(wǎng)格，如圖l、圖2所示。首先目標(biāo)照明面與LED的距離為10米，那么由能量守恒可得到目標(biāo)照明區(qū)域是長(zhǎng)為 31.4米，寬為10米的矩形區(qū)域，取其第一象限為研究對(duì)象，則長(zhǎng)邊為15.7米，側(cè)邊為5米，以CREE公司某款LED光源101為例，其總的光通量為^=2100流明，則目標(biāo)區(qū)域的平均照度為五v:2100/3141x (五v為總光通量除以目標(biāo)區(qū)域面積)，中心光強(qiáng)為 /。=^/"=2100/3.1化(1。將目標(biāo)照明矩形區(qū)域102沿1軸方向以步長(zhǎng)0.1米等分成157份，沿r軸方向以步長(zhǎng)O.l等分成50份，得到x(157)和:K50)的數(shù)組。這樣在目標(biāo)平面就形 成了157x50個(gè)等面積的正方形網(wǎng)格。對(duì)應(yīng)的，通過(guò)計(jì)算每一份網(wǎng)格的能量，將光源出射 光線在0角上分成157份，在p角上分成50份。(2) 通過(guò)能量守恒計(jì)算光線出射的e角(0角為光線107在％or平面上的投影與r軸的夾角)第一步，將上述初始條件帶入下式，計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域Z軸方向每條矩形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的最后能量帶入數(shù)據(jù)的五"^gv = 0.1 x 5 x = 0.3344 。第二步，計(jì)算目標(biāo)區(qū)域X軸方向每條矩形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的直射能量 因?yàn)槭褂玫腖ED光源為朗伯源，其光強(qiáng)分布為中心光強(qiáng)的余弦分布，利用照度光強(qiáng)與距 離的平方反比關(guān)系，可以得到目標(biāo)區(qū)域的照度分布為-/ 2帶入數(shù)據(jù)/(^力=66879(x2+/+100)2 直射能量為照度分布對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的二重積分:帶入數(shù)據(jù)可得￡)^"五"=f/o,力血辦第三步，確定反射杯口的邊界^角值(^角為出射光線與Z軸正向的夾角)由于本方法中直接出射的那部分光在目標(biāo)照明面上是直接形成一個(gè)矩形光斑的,所以反射杯口的形狀雖然不一定是一個(gè)矩形，但是杯口邊界線上所有點(diǎn)的^角是一定的。在確 定了初始條件以后，可直接以目標(biāo)照明區(qū)域的邊界坐標(biāo)值求解反射杯口的邊界^角值只要將m，"的取值遍歷邊界上所有的點(diǎn)，即可求出反射杯口邊界上所對(duì)應(yīng)的所有^角的值。第四步，由能量守恒求出6角其中^為上面第三步所計(jì)算的邊界P。又反射能量等于總能量減去直射能量，從而得 到能量守恒等式。通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算可以求出一系列e值。由目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)寬比為"/6，對(duì)應(yīng)的反射杯口也設(shè)為相同比例,所以當(dāng)arctan(^)大于時(shí)截止，記錄下此時(shí)所對(duì)應(yīng)的 目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度，即x坐標(biāo)。(3)由能量守恒計(jì)算p角 以目標(biāo)區(qū)域的每一小方格作為研究對(duì)象，面積為0.01平方米。 第一步，計(jì)算每一小格的總能量e"e^y = ￡vi2=(2100/314)*0.01第二步，計(jì)算每一小格的直射能量為Dz>e"￡"= r(W+Y("+1)/(x,;;>&^,其中/(x,力為目標(biāo)區(qū)域照度分布。第三步，通過(guò)能量守恒求^角，反射能量為等于總能量減去直射能量。通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算出伊角數(shù)組。(4)參照?qǐng)D5，由反射定律和求出所述曲面上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切平面，通過(guò)求切平面與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)。所述的反射定律公式為其中w為折射率，^301， 303為入射光線單位向量，(9:f302， 304為出射光線單位向量，#為單位法向量；在計(jì)算中，由(3)中所確定的e和p可以求出離散后每一條入射光線的單位向量， 通過(guò)初始點(diǎn)的坐標(biāo)和與其對(duì)應(yīng)的反射光線的單位向量，可以得到初始點(diǎn)的法向向量，從而 確定該點(diǎn)的切平面，該切平面與第二點(diǎn)的入射光線相交從而確定第二點(diǎn)。由前一點(diǎn)的切平 面與下一點(diǎn)的法向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代可得出所有點(diǎn)的坐標(biāo)。由此確定了長(zhǎng)邊曲面的坐標(biāo)。如首先確定一個(gè)計(jì)算的初始點(diǎn)(0， 0.02， 0.04)，該初始點(diǎn)坐標(biāo)決定了整個(gè)反射杯的 大小，由這個(gè)初始點(diǎn)對(duì)應(yīng)于目標(biāo)照射區(qū)域上的(0， 5， 8)點(diǎn)，可求出該初始點(diǎn)的入射光 線的向量(0， 0.02， 0.04)以及出射光線的向量(0， 4.98， 7.96)，分別歸一化后可以得到初始點(diǎn)入射光線和出射光線的單位向量^和o:"由反射公式求出反射杯在該初始點(diǎn)單位法向量^，由此法向量和初始點(diǎn)可確定一個(gè)切平面，該切平面與第二條入射光線相 交，確定邊界的第二點(diǎn)，由以上方法迭代求出一條邊界曲線，再由邊界曲線的上的每一個(gè) 點(diǎn)為初始點(diǎn)算出整個(gè)自由曲面。(5)計(jì)算反射杯端面的曲面坐標(biāo)首先確定初始直線為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)邊邊界的終點(diǎn)，垂直于Z軸的直線。由于在(2)的結(jié)尾 己經(jīng)記錄了側(cè)面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度，可以得到所剩下的區(qū)域的位置和大小。為了更好的配合端面的整體曲率，將e的變化對(duì)應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域r值的變化，p的變化對(duì)應(yīng)于Z軸的變化。算法與求側(cè)面相同，不再重述。 (6)利用機(jī)械仿真軟件將得到的點(diǎn)擬合為曲面得到的曲面為對(duì)應(yīng)于zoz平面和roz平面鏡像，可以得到最終的反射杯曲面。如圖3，為通過(guò)上述方案得到的反射杯，所述反射杯底面加LED光源的正視圖，圖 4為立體圖，圖6為側(cè)視圖，反射杯包括側(cè)面201,端面202和底面203。 LED光源101 放置于底面203的中央。圖7、圖8為L(zhǎng)ED按照如上所述的方式放置了反射杯后的光照效果圖，圖7為目標(biāo) 平面上的光分布為矩形斑，均勻度較好。圖8為圓形斑直徑上的光強(qiáng)的曲線圖。所以可以 看出，通過(guò)采用上述技術(shù)方案后，而能合理控制光線分布使光斑呈矩形，并且在照射區(qū)域 內(nèi)總透光率高，出光均勻性好。1權(quán)利要求
1、LED路燈的反射杯，包括底面和反射面，反射面為自由曲面，底面為中間有圓形缺口的平面區(qū)域，LED位于缺口處，LED直接從反射杯開口出射的那部分光照射到目標(biāo)面上形成初始的矩形照明區(qū)域，反射面用于反射其余的光到該初始的矩形照明區(qū)域，使該兩部分光的能量疊加后形成均勻的矩形照明區(qū)域，其特征在于反射面為自由曲面，該自由曲面的形狀通過(guò)如下方法確定以LED底面的圓心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為XOY平面，過(guò)原點(diǎn)并與XOY平面垂直的軸為Z軸，Z軸的正方向朝向反射杯的開口，所述反射杯的自由曲面的形狀關(guān)于XOZ平面和YOZ平面對(duì)稱，先確定XOY第一象限所對(duì)應(yīng)的部分自由曲面形狀，然后通過(guò)將該部分自由曲面相對(duì)于XOZ平面和YOZ平面進(jìn)行兩次對(duì)稱即得到所述反射面的形狀，第一象限所對(duì)應(yīng)的部分自由曲面按照沿X軸和Y軸方向分為兩部分沿X軸方向?yàn)閭?cè)面部分和沿Y軸方向?yàn)槎嗣娌糠郑挥捎诳偰芰渴鞘睾愕?，確定側(cè)面部分后，將剩余的能量與端面對(duì)應(yīng)，再確定端面部分，求解側(cè)面部分上點(diǎn)的坐標(biāo)由如下步驟確定(1)確定初始條件并對(duì)目標(biāo)照明區(qū)域劃分網(wǎng)格，LED光源為朗伯源，首先目標(biāo)照明面與LED的距離為h，目標(biāo)照明區(qū)域是長(zhǎng)為a，寬為b的矩形區(qū)域，該區(qū)域在上述XOY坐標(biāo)系的第一象限部分的長(zhǎng)邊為a/2，短邊為b/2，LED光源的總光通量為φ，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為Ev，Ev等于所述總光通量除以目標(biāo)照明區(qū)域面積，LED中心光強(qiáng)為I0＝φ/π；將目標(biāo)照明矩形區(qū)域沿X軸方向以步長(zhǎng)k等分成m份，沿Y軸方向以步長(zhǎng)k等分成n份，得到x(m)和y(n)的數(shù)組；這樣在目標(biāo)照明區(qū)域第一象限就形成了m×n個(gè)等面積的正方形網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的，通過(guò)計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)格的能量，將LED光源出射光線在θ角上分成m份，在 id="icf0001" file="A2009100396120002C1.tif" wi="2" he="3" top= "217" left = "117" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角上分成n份，θ角為光線在XOY平面上的投影與Y軸的夾角， id="icf0002" file="A2009100396120002C2.tif" wi="2" he="3" top= "228" left = "78" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角為出射光線與Z軸正向的夾角；(2)通過(guò)能量守恒計(jì)算光線出射的θ角，將目標(biāo)照明區(qū)域第一象限沿著X軸方向劃分等步長(zhǎng)n份，這樣在目標(biāo)照明區(qū)域第一象限就會(huì)出現(xiàn)n個(gè)矩形區(qū)域第一步，計(jì)算最終目標(biāo)照明區(qū)域X軸方向每條矩形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的能量<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Energy</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>·</mo><mfrac> <mi>b</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>·</mo><mi>Ev</mi><mo>;</mo> </mrow>]]></math></maths>第二步，計(jì)算目標(biāo)區(qū)域X軸方向每條矩形區(qū)域所對(duì)應(yīng)的直射光能量LED光源為朗伯源，其光強(qiáng)分布為中心光強(qiáng)的余弦分布，利用照度光強(qiáng)與距離的平方反比關(guān)系，得到目標(biāo)區(qū)域的照度分布為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn></msub><mo>·</mo><msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>x</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>y</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>h</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>直射能量為照度分布對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的二重積分<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>DirectEn</mi><mo>=</mo><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msubsup><msubsup> <mo>∫</mo> <mn>0</mn> <mfrac><mi>b</mi><mn>2</mn> </mfrac></msubsup><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dxdy</mi><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2009100396120003C2.tif" wi="65" he="14" top= "70" left = "111" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>第三步，確定反射杯口的邊界 id="icf0006" file="A2009100396120003C3.tif" wi="2" he="3" top= "88" left = "77" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角值直接出射的那部分光在目標(biāo)照明面上是直接形成一個(gè)矩形光斑的，反射杯出口邊界線上所有點(diǎn)的 id="icf0007" file="A2009100396120003C4.tif" wi="2" he="3" top= "107" left = "43" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角是一定的，在確定了步驟(1)中的初始條件后，直接以目標(biāo)照明區(qū)域的邊界坐標(biāo)值求解反射杯口的邊界角值將m，n的取值遍歷邊界上所有的點(diǎn)，即求出反射杯口邊界上所對(duì)應(yīng)的所有 id="icf0009" file="A2009100396120003C6.tif" wi="2" he="3" top= "142" left = "158" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角的值；第四步，由能量守恒求出θ角每條矩形區(qū)域中，通過(guò)反射到達(dá)的能量為其中 id="icf0011" file="A2009100396120003C8.tif" wi="2" he="3" top= "185" left = "40" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為上面第三步所計(jì)算的邊界角值；反射能量等于總能量減去直射能量，從而得到能量守恒等式；通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算求出一系列離散θ值；由目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)寬比為a/b，對(duì)應(yīng)的反射杯口也設(shè)為相同比例，當(dāng)arctan(θ)大于a/b時(shí)截止，記錄下此時(shí)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度，即x坐標(biāo)；(3)由能量守恒計(jì)算 id="icf0012" file="A2009100396120003C9.tif" wi="2" he="3" top= "226" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角，目標(biāo)區(qū)域的每一小方格的面積為k2計(jì)算每一小格的總能量energy＝Ev·k2；再計(jì)算每一小格的直射能量為<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>DirectEn</mi><mo>=</mo><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msubsup><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msubsup><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dxdy</mi><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0013" file="A2009100396120003C10.tif" wi="73" he="8" top= "244" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中f(x，y)為目標(biāo)區(qū)域照度分布；通過(guò)能量守恒求 id="icf0014" file="A2009100396120003C11.tif" wi="2" he="3" top= "259" left = "32" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角，反射能量為 id="icf0015" file="A2009100396120003C12.tif" wi="63" he="8" top= "255" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>等于總能量減去直射能量，通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算出 id="icf0016" file="A2009100396120003C13.tif" wi="2" he="3" top= "270" left = "66" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>角數(shù)組；(4)由反射定律和求出所述曲面上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切平面，通過(guò)求切平面與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)，所述的反射定律公式為<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msqrt> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mo>·</mo> <mrow><mo>(</mo><mover> <mi>Out</mi> <mo>→</mo></mover><mo>·</mo><mover> <mi>In</mi> <mo>→</mo></mover><mo>)</mo> </mrow></msqrt><mo>·</mo><mover> <mi>N</mi> <mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mover> <mi>Out</mi> <mo>→</mo></mover><mo>-</mo><mi>n</mi><mo>·</mo><mover> <mi>In</mi> <mo>→</mo></mover><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>其中n為折射率， id="icf0018" file="A2009100396120004C2.tif" wi="5" he="5" top= "57" left = "55" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為入射光線單位向量， id="icf0019" file="A2009100396120004C3.tif" wi="6" he="5" top= "57" left = "103" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為出射光線單位向量， id="icf0020" file="A2009100396120004C4.tif" wi="3" he="5" top= "56" left = "154" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為單位法向量；在計(jì)算中，首先確定一個(gè)計(jì)算的初始點(diǎn)，該初始點(diǎn)坐標(biāo)決定了整個(gè)反射杯的大小，由這個(gè)初始點(diǎn)算出一條邊界曲線，再由邊界曲線的上的每一個(gè)點(diǎn)為初始點(diǎn)算出整個(gè)自由曲面，計(jì)算方法由(3)中所確定的θ和 id="icf0021" file="A2009100396120004C5.tif" wi="2" he="3" top= "84" left = "84" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>求出入射光線的單位向量；通過(guò)初始點(diǎn)的坐標(biāo)和與其對(duì)應(yīng)的反射光線的單位向量，得到初始點(diǎn)的法向向量，從而確定該點(diǎn)的切平面，該切平面與第二點(diǎn)的入射光線相交從而確定第二點(diǎn)；由前一點(diǎn)的切平面與下一點(diǎn)的法向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代可得出所有點(diǎn)的坐標(biāo)，由此確定了長(zhǎng)邊曲面的坐標(biāo)；所述端面部分自由曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)由如下方法確定首先確定初始直線為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)邊邊界的終點(diǎn)，垂直于X軸的直線；通過(guò)上述(2)的已得到的側(cè)面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)度，可以得到所剩下的區(qū)域的位置和大小；為了更好的配合端面的整體曲率，將θ的變化對(duì)應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域Y值的變化， id="icf0022" file="A2009100396120004C6.tif" wi="2" he="3" top= "140" left = "138" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的變化對(duì)應(yīng)于X軸的變化；端面部分上點(diǎn)的算法與上述求側(cè)面部分上點(diǎn)的坐標(biāo)方法相同；利用機(jī)械仿真軟件將上述得到的側(cè)面部分和端面部分上的點(diǎn)擬合為曲面，再將得到的曲面對(duì)應(yīng)于XOZ平面和YOZ平面鏡像，得到最終的反射杯曲面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED路燈的反射杯，其特征在于w,w的取值越大，步驟(4)得到所述曲面上的離散點(diǎn)越多，由這些離散點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合能得到更精確的所述曲 面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED路燈的反射杯，其特征在于(4)中初始點(diǎn)坐標(biāo)決定 了整個(gè)反射杯的大小，初始點(diǎn)坐標(biāo)需要通過(guò)具體路燈燈具和LED光源尺寸確定反射杯大 小，從而決定初始點(diǎn)坐標(biāo)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED路燈的反射杯，其特征在于(4)中所述的由(3)中所確定的P和p求出每一條入射光線的單位向量^，其具體表達(dá)式為= (sin(。. sin(p), cos(P). sin(p)， cos(p))。
5、根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的LED路燈的反射杯，其特征在于所述-=2100 流明，目標(biāo)照明面與LED的距離為10米，目標(biāo)照明區(qū)域是長(zhǎng)為31.4米，寬為10米的矩 形區(qū)域，LED中心光強(qiáng)為A =^/;r=2100/3.14cd。
全文摘要
本發(fā)明提供了LED路燈的反射杯，包括底面和反射面，底面的中央放置有LED，LED直接從反射杯開口出射的那部分光照射到目標(biāo)面上形成初始的矩形照明區(qū)域，反射面用于反射其余的光到該初始的矩形照明區(qū)域，使該兩部分光的能量疊加后形成均勻的矩形照明區(qū)域，反射面為自由曲面，該自由曲面的形狀通過(guò)如下方法確定所述反射杯的自由曲面的形狀關(guān)于XOZ平面和YOZ平面對(duì)稱，先確定XOY第一象限所對(duì)應(yīng)的部分自由曲面形狀，然后通過(guò)將該部分自由曲面相對(duì)于XOZ平面和YOZ平面進(jìn)行兩次對(duì)稱即得到所述反射面的形狀。本發(fā)明所提供的反射杯可以實(shí)現(xiàn)LED路燈照射出均勻矩形光斑的效果。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK101556026SQ20091003961
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者張奇輝, 張小凡, 洪 王, 王海宏 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)