具有三次四控制点样条曲线的弧面LED灯具

摘要

本发明揭示了一种具有三次四控制点样条曲线的弧面LED灯具，包括LED光源、扩散板和反光杯。扩散板设置于反光杯的底部，LED光源设置于扩散板的后方，反光杯内表面的样条曲线为三次四控制点的NURBS曲线。采用了本发明的技术方案，使LED灯混光均匀，在经过配光处理后消除杂散光，光学效率高，并且其反光杯反射率高、占用空间小、光斑效果好、牢固度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED灯具，更具体地说，涉及一种具有三次四控制点 样条曲线的弧面LED灯具。

背景技术

随着LED光源的不断发展和进步，它与传统光源的不同之处越来越明 显，越来越被人所熟知。其中白光LED（蓝光芯片激发荧光粉发光），经 过光学器件的聚光后形成的蓝心黄圈、条纹阴影等颜色现象，较严重地制 约着LED照明光学的发展。目前市面上已出现的实验方案有两大类。第一 类，在光学器件上增加扩散粒子、或者更换漫反射材料、或者设计散射结 构等等，这类办法有一个特点，混光效果越明显，则光效低、有杂散光、 但光斑颜色更均匀，反之则光效高、能灵活调整配光曲线、但光斑颜色容 易出问题。第二类，直接在LED封装源头，针对LED光源结构做一些合理 的设计调整，以做到均匀的光分布，这样做的封装厂还不多，而且效果也 不是很明显，并且生产上也会增加一定成本，当然这种方案未来的发展前 景还是很不错的，只是目前还在磨合、探索中。

更为具体的，为了提高LED的显色指数、灵活调整LED的颜色、且降 低生产成本，市面上出现了一种模组式的光源，这种光源是在一个铝基板 上焊接有2～3种颜色的的LED颗粒，如图1所示白光LED和红光LED均匀 的分布在一个铝基板上。这种光源在聚光设计时一定要增加扩散板或者扩 散罩，否则形成的光斑会有极明显的颜色不均匀现象。那么这样一来整个 灯具的光效就会降低、杂散光较多，制约了这种光源的应用范围。

镜面反光杯一般作为一个聚光的光学器件，经常用在各种照明灯具里 面，可以对光源的光分布做一些必要的调节以增加光能的利用率。但是光 的反射总是有些损失的，一般地，聚光角度越小，在器件上损失的光能越 多。市面上在售的镜面反光杯绝大部分都是铝材或者塑料上电镀而成，这 些反光杯或旋压、或注塑、或机加工而成，然后真空镀膜、或者化学电镀， 这样工艺的镜面反光率很难做到90%以上，且在大批量生产的时候一致性 很差，其表面反光率受电镀效果的影响时而高时而低，在生产、使用过程 中易被氧化污染。

也有少部分的反光杯采用高反射率的铝片材，经裁切、冲压加工、组 装等过程拼接成一个完整的反光杯，或者形变量不大的话，也可以采用旋 压工艺。这种片材厚度0.4～1mm厚，反光率高达95%以上，其制作工艺属 于世界顶尖的抛光、电镀工艺，所以它的镜面反射效果一致性好，生产、 使用过程中不会被氧化污染。另外这种片材的镜面有一层塑料保护膜，可 防止在生产加工过程中被划伤破坏。这方面的技术目前还在发展中，存在 着一些问题：1）片材利用率不高；2）拼接后的反光杯不够牢固；3）加工、 组装难度较高。

另外这些反光杯的配光设计一般不会针对某一特殊应用环境最大化的 优化光能分布。例如有些客户要求最小光通量的情况下尽量达到一定的照 度水平，例如本案要求40W的灯具在1米高度照出一个圆形光斑，其中心 照度5000Lux以上，光斑半径0.6米处照度1250Lux以上。这样特殊要 求的反光杯需要特别设计反光杯母线，将光能尽量集中在需要照明的地方。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种具有三次四控制点配光曲线的弧面LED灯 具，来解决现有技术中LED灯通常聚光不均匀、杂散光较多，并且其反光 杯组装难度高的问题。

根据本发明，提供一种具有三次四控制点样条曲线的弧面LED灯具， 包括LED光源、扩散板和反光杯。扩散板设置于反光杯的底部，LED光源 设置于扩散板的后方，反光杯内表面的样条曲线为三次四控制点的NURBS 曲线。

根据本发明的一实施例，NURBS曲线的基函数为：

$\left(\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{0,3}}\left(t\right)={(1-t)}^3\\ N_{\mathrm{1,3}}\left(t\right)=3t{(1-t)}^2\\ N_{\mathrm{2,3}}\left(t\right)={3t}^2(1-t)\\ N_{\mathrm{3,3}}\left(t\right)=t^3\end{array}\right),0\le t\le 1.$

根据本发明的一实施例，NURBS曲线的控制点坐标为：P₀=(14,0)， P₁=(27,11)，P₂=(21,31)，P₃=(31,44)。由此推导曲线的参数方程为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_x\left(t\right)={35t}^3-{120t}^2+39t+14\\ P_y\left(t\right)={14t}^3-{3t}^2+33t\end{array}\right),0\le t\le 1.$

根据本发明的一实施例，NURBS曲线的控制点坐标为：P₀=(45,0)， P₁=(108,28)，P₂=(96,120)，P₃=(102,174)。由此推导曲线的参数方程为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_x\left(t\right)={93t}^3-225t^2+189t+45\\ P_y\left(t\right)=102t^3+{192t}^2+84t\end{array}\right),0\le t\le 1.$

根据本发明的一实施例，反光杯由多块杯片拼接而成，每一块杯片的 侧边设有互相配合固定的卡口，顶边包括用以固定的塑料盖。

根据本发明的一实施例，杯片的内表面由多个四边形鳞甲拼接而成， 四边形鳞甲的反射率为95%，表面散射率小于5%。

根据本发明的一实施例，反光杯的杯口具有外卷的边沿，杯口为正36 边形。

采用了本发明的技术方案，使LED灯混光均匀，在经过配光处理后消 除杂散光，光学效率高，并且其反光杯反射率高、占用空间小、光斑效果 好、牢固度高。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是本发明具有三次四控制点配光曲线的弧面LED灯具的结构分解 图；

图2是图1的剖视图；

图3是杯片的示意图；

图4是杯片的侧视图；

图5是本发明一实施例的反光杯配光曲线图；

图6是图5的配光曲线下的照度分布；

图7是本发明另一实施例的反光杯配光曲线图；

图8是图7的配光曲线下的照度分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明公开一种具有三次四控制点样条曲线的弧面LED灯 具，其主要部件包括LED光源1、扩散板3和反光杯2。本发明的由反光杯 2、扩散板3和LED光源1形成的具有三次四控制点样条曲线的弧面LED灯 具的设计思想是：先对LED混光均匀，然后再做配光处理，因此没有杂散 光，又因为所选光学器件光学效率高，所以灯具效率也高。

如图1和图2所示，反光杯2一端封闭，另一端开口，扩散板3设置 于反光杯2封闭处的底部，LED光源1设置于扩散板3后方。其中，扩散 板3为高透过率扩散板3，其采用一种特殊的塑料制作，透过率高达90%。

反光杯2的光学原理为：LED光源1发出的一部分光直接投射到扩散 板3上，另一部分光经拼接反光杯2反射后也投射到扩散板3上，显然扩 散板3的口径要大于LED光源1发光面的口径，此处反光面稍微倾斜能一 次反射就把光打到扩散板3上。然后，扩散板3把接收到的光混光均匀后 重新投射出来，一部分直接投射到需要的方向，另一部分经反光杯2反射 后也投射到需要的方向上。

由图1可以看出，反光杯2由多块杯片21拼接而成，每一块杯片21 边缘设有互相配合固定的卡口22，并且反光杯2的杯口具有外卷的边沿。 杯片21为6块，拼接后整体成为一个反光杯，因此杯口形状也从圆形分解 成了正36边形。

如图3所示，具体来说，杯片21的内表面由多个四边形鳞甲拼接而成， 其材质为Miro2铝反光板，这种四边形鳞甲的加工途径大致为：首先安铝 采用特制的铝板做基材，然后在基材上电镀一层结合材料，然后在结合材 料上镀一层高纯铝，最后镀两层氧化物保护层，这种四边形鳞甲的反射率 高达95%，表面散射率小于5%。

如图3和图4所示，每一片杯片21的片材上有交错的卡口22，装配 后能正好限制杯片21的位置，防止错位，杯片21的顶边包括用以固定的 塑料盖23。在反光杯2的底部，所有杯片21的都用螺丝固定在扩散板3 上。反光杯2的杯口有外卷的边沿，可以固定在其它结构上，其底部直直 向后伸出的一节，可以埋在灯具的其它结构中，进一步固定反光杯2。

反光杯2的母线包括三部分，第一部分靠近光源并稍微倾斜，第二部 分横向扩展生成一个台阶，第三部分向下向外延伸。具体来说，反光杯2 的母线大致可以分为三部分，第一部分靠近光源，稍微倾斜的设计方便于 收集光线到扩散板3上，第二部分横向扩展生成一个台阶，可以放一片扩 散板3以对所有光线混光，第三部分向下向外延伸，可以调整其弧度获得 不同的配光曲线。

除了上述的结构之外，本发明针对反光杯的内表面做了特别的设计， 其满足一定的配光曲线，而本发明公开两种不同的配光曲线。

实施例1

作为本发明的一种实施方式，反光杯的母线是一个经过特殊设计的自 由曲线，如果使用COB面光源的话，所有光线都能收集到有效的光照区域， 几乎没有光能被浪费，其样条曲线如图5所示为：$\left(\begin{array}{c}{P}_x\left(t\right)={35t}^3-{120t}^2+39t+14\\ P_y\left(t\right)={14t}^3-{3t}^2+33t\end{array}\right),$ 其中0≤t≤1。

在本实施例中，反光杯的母线是一条三次四控制点NURBS样条曲线（自 由曲线的一种）。其节点矢量为[0,0,0,0,1,1,1,1]，具体推导过程如下：

NURBS样条曲线的参数方程（有理分式形式）如下：

$P\left(t\right)=\frac{{\Sigma }_{i=0}^n{P}_i{N}_{i,k}\left(t\right)}{{\Sigma }_{i=0}^n{N}_{i,k}\left(t\right)}$  式1

其中，P_i是控制点的坐标，i是控制点的序数，因本方案母线是四控制 点，n=3。k是样条曲线的次数，本方案中k=3。t是参数方程的自变量， 其范围由节点矢量的最大最小值决定，本方案中节点矢量为 [0,0,0,0,1,1,1,1]，总共有8个节点，最小值为0，最大值为1，所以0 ≦t≦1。P(t)是样条曲线上的坐标。N_i,k(t)是此方程的基函数，由de Boor-Cox 递推公式得到。N_i,k(t)的具体推导公式如下：

其中，u_i是节点矢量中对应的节点，本方案中u_i[0,0,0,0,1,1,1,1]，其中 i是序数，i∈[0,1,2,3,4,5,6,7]，由此可得到本方案的基函数为：

$\left(\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{0,3}}\left(t\right)={(1-t)}^3\\ N_{\mathrm{1,3}}\left(t\right)=3t{(1-t)}^2\\ N_{\mathrm{2,3}}\left(t\right)={3t}^2(1-t)\\ N_{\mathrm{3,3}}\left(t\right)=t^3\end{array}\right)$  式3

本实施例中四个控制点的坐标为：

P₀=(14,0)，P₁=(27,11)，P₂=(21,31)，P₃=(31,44)，将这四个控制点和式3 代入式1，可得本方案的反光杯母线的参数方程为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_x\left(t\right)={35t}^3-{120t}^2+39t+14\\ P_y\left(t\right)={14t}^3-{3t}^2+33t\end{array}\right),$其中0≤t≤1。

如图6所示，本实施例的反光杯所获得的效果是：灯具1米高度时， 光照区域是一个直径1.2米左右的光斑，光照边沿与中心的照度比例是 1:4。

实施例2

作为本发明的另一种实施方式，如图7所示，反光杯2内壁所满足的 样条曲线为为三次四控制点的NURBS曲线，四个控制点的坐标为：P₀=(45,0)， P₁=(108,28)，P₂=(96,120)，P₃=(102,174)，根据控制点推导反光杯母线的参数 方程的方法同实施例1相同，本实施例不再赘述。由此推导样条曲线的参 数方程为：$\left(\begin{array}{c}{P}_x\left(t\right)={93t}^3-225t^2+189t+45\\ P_y\left(t\right)=102t^3+{192t}^2+84t\end{array}\right),0\le t\le 1.$

如图8所示，在本实施例中，三次四控制点的NURBS曲线表现为半光 强度处距离为0.2m，光照角度为-30度～30度，半光强度至最远光照强度 处光照角度逐渐减小，最远光照强度处的光照角度为-10度～10度。将扩 散板3视作一个面光源，则NURBS样条曲线可分为三部分，分别调整面光 源不同角度上的光线。第一第二个控制点作用是收集大角度光线到光斑中 心；第二第三控制点作用是收集光线，到光斑外围以提高外围照度；第三 第四控制点作用是限制光斑大小，将所有光线集中在有效区域，不产生杂 散光。如此，可以使反光杯2在大角度上完全没有杂散光。

需要特别提出的是，扩散板3的雾度，以及扩散板3到LED光源1之 间的距离。扩散板3是一块半透明的塑料板，主要作用是将LED光源1混 光，因此需要保证透过扩散板3“看”LED光源1的时候，不能明显看到 LED光源1。原则上雾度越高，（可以通过减薄扩散板3来降低雾度），越 不容易看到LED光源1，但光的损失越多。在雾度一定的情况下，可以加 大扩散板3到LED光源1之间的距离，能起到同样的效果，同时光损失不 会太大，但这样会使得扩散板3的面积增大，进而影响整个具有三次四控 制点配光曲线的弧面LED灯具的体积。本实施例在综合各种因素条件下， 取扩散板3厚度1.5mm，扩散板3与LED光源1之间距离20mm，并且这个 扩散板3和LED光源1的参数同样可以适用于其他的实施方式中。

综上所述，本发明所公开的具有三次四控制点配光曲线的弧面LED灯 具有以下优点：

1）光学效率高。

2）可以对光源混光，不存在光斑颜色不均匀的现象。

3）可以灵活调节配光曲线，没有杂散光。

4）加工组装都很方便，结构牢固。

5）特别适用于含有两种以上颜色的LED模组。

6）反光杯加工工艺较容易实现，材料利用率高，可操作性强；

7）组装后反光杯牢固度高，不易散架。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明 众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对 于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合 本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。