一种矩形均匀照度的复合抛物面LED聚光器的制作方法

本实用新型涉及复合抛物面式聚光器(CPC)领域，特别涉及了一种矩形均匀照度的复合抛物面LED聚光器。

背景技术：

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12％～15％，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。现阶段LED的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前LED的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、道路照明、景观照明和特殊照明等。

传统的复合式抛物面聚光器(CPC)最早由美国Welford等发明，根据边缘光线原理设计，可以将给定接收角度范围内的光线按照接近理想汇聚比收集到接收器上的非成像聚光器；是一种用于进行定期调整、非精确跟踪的集光设备。

传统的灯具照明常常配置圆形聚光器，其側面为圆锥面，其光线投射面是圆形，光损失较大，光的利用率不高，在小区路面照明时，需要光线投射面为矩形形式分布，光损失较小，光的利用率较高。如图1所示为路灯照度分布示意图，圆形聚光器配光以后，照度呈圆形，造成马路外的光损失为36％-50％，经过矩形聚光器配光以后，照度成矩形分布，光的利用率可达100％，这样大大提高的光的利用率，减少了损耗。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于小区路面照明用的矩形截面的复合抛物面LED聚光器，解决了传统的圆形聚光器的的灯具照明光线投射面为圆形光斑其光损失较大、光的利用率不高、过多的浪费能源的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型利用复合式抛物面聚光器(CPC)原理，提出了一种将普通的LED灯的圆形光斑变成了矩形光斑的LED聚光器。该聚光器由轴截面为矩形，侧面为两两对称的抛物面构成，其每对抛物面的光轴面的夹角为0°-45°，抛物面焦点所在矩形平面为上开口，下端的矩形轴截平面为下开口，上、下开口的距离(即高度)为上开口对角线的1-2倍。

所述的抛物面是以焦点线为轴旋转后的抛物面。

所述的两两对称的抛物面为其一抛物线的焦点在其二抛物线上，其二抛物线的焦点在其一抛物线上，也称为一对CPC抛物面。

本实用新型调节光轴面的夹角的大小和聚光器高度就可以调节矩形光斑的长宽大小，以满足实际矩形路面的照度要求。

本实用新型的光源安装在聚光器焦点所在矩形平面的中心。

不同形态的CPC可由抛物线以其焦点为旋转点，经旋转(tilt)一定角度得到，然后互为镜像成一对。旋转前两者的光轴本来是水平的。抛物线1和光轴绕自己的焦点f1旋转了θ/2角度，抛物线2和光轴绕自己的焦点f2旋转了-θ/2角度，旋转后的两光轴面的夹角θ即为接收角。

经过旋转，可以获得我们需要的接收角θmax。大于接收角的光线将会被系统反射出去，无法到达吸收面(exit aperture)。事实上，减少接收角也就增大了集光率C。

C＝1/sinθmax

“CPC”要求两抛物线的焦点落在对应的抛物线上，如果两焦点分离或靠拢则该抛物线面不适合做聚光器。

本实用新型具有明显的优点，聚光器的光斑可以根据小区路面的宽窄调节，光源利用率可达100％，节约能源。

附图说明

图1是配有不同聚光器的路灯光分布转换成路面的照度示意图。

图2是形成符合“CPC”要求的抛物线生成过程示意图。

(a)为原始抛物线，F为焦点。焦距15mm

(b)为以焦点为圆心旋转10°的抛物线A

(c)为互为镜像的抛物线A和A’，其焦点落在对应的曲线上。

图3是接收角为30°、45°互为镜像的抛物线B和B’、C和C’示意图,

图4是第一种聚光器正视图和侧视图

图5是第二种聚光器正视图和侧视图

图6是第三种聚光器正视图和侧视图

图7是矩形CPC反光器光线追迹结果。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

1、根据实际采光需求，初选焦距15mm,用绘图软件按x²＝-2py作出抛物线,焦点为F，抛物线开口向左，其光轴为x轴，取其抛物线上半部分；

2、设接收角为20°，以焦点F为中心，将抛物线和光轴一起旋转10°，得到旋转后的抛物线A；

3、过焦点F作y轴的平行线交于抛物线A上D点，过FD中点作x轴的平行线M，以平行线M为轴线，作出抛物线A的镜像抛物线A’；抛物线A、A’即为符合“CPC”要求的复合式抛物面聚光器的两側面，测得两焦点的距离FD＝a＝19.02mm，两光轴的交角为20°，也是接收角为20°；

4、用同样的方法作出接收角为30°、45°的符合“CPC”要求的抛物线B、B’,抛物线C、C’,测得两焦点的距离FD＝b、c，b＝18.19mm，c＝17.20mm

5、利用a、b；b、c；a、c作焦点平面的矩形，并测量对角线长度分为26.32mm、25.04mm、25.65mm；

6、利用抛物线A、A’和抛物线B、B’作第一个聚光器,利用抛物线B、B’和抛物线C、C’作第二个聚光器,利用抛物线A、A’和抛物线C、C’作第三个聚光器,尺寸如下表：

参见附图4、5、6。

改变焦距和接收角可以得到不同尺寸的聚光器，以满足不同的实际要求。

图7是矩形CPC反光器光线追迹结果。将图4中CPC反光器结构结构尺寸输入到trace-pro软件中进行仿真。利用tracepro的表面属性定义功能，对光源表面的吸收率和不同波长下折射率进行定义，以建立符合实际空间光强分布的光源。在追迹选项中根据LED不同波长光分布图标定义波长权重分布。仿真时，光线追迹到200000条光线，初始光通量设置为100lm，光源光强分布采用表面光源设置方式，模拟的光源分布如图7所示。根据照度分布图可以看到一个清晰的矩形光斑，照度均匀，光学系统效率近80％，具备良好的照明效果。