本发明涉及灯技术领域，特别是涉及一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法和灯。
背景技术：
目前，市面上许多灯的光斑是圆形的。当灯光投射于某个区域时，呈现一椭圆光斑；且椭圆光斑中心光很强表面亮度集中，两边迅速减弱，在脉冲工作时形成严重眩光现象，会使人眼短时失去视觉，导致人们行车走路或工作时不安全。而且，道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的面积为矩形，可是与道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的面积匹配的灯光却是圆形光斑。因此，与道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的矩形面积匹配的圆形光斑只能局限于道路或建筑物或工作台面中心局部区域，而且集中又刺眼。
因此，希望能够解决如何提供均匀矩型光斑且低眩光的灯，提高灯具使用的舒适性、有效性问题。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法和灯，用于解决现有技术中如何提供均匀矩型光斑且低眩光的灯，方便灯具使用的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，包括以下步骤：形成光斑的基本阵列单元由相同的灯珠及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的光学透镜组成；任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜出光面出射的光型呈矩形；设置所述阵列光学结构，包括以下步骤：提供至少一个灯珠，置于含有线路结构的pcb板上，与ac-dc电源相连，由ac-dc电源直接驱动；于所述光学透镜入光面一侧，设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜；于所述光学透镜出光面一侧，设置通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构。
于本发明的一实施例中，tir透镜的实现，包括：传统的tir透镜进行菲涅尔化，并使出射光线准直，其中tir透镜反射面的数量为n,n≥2。
于本发明的一实施例中，入光面的光学结构面除以总出光面的比例≥75％：根据亮度l公式：l＝i/s，计算透镜菲涅尔化后形成的透镜出光面的亮度，其中，i为对应角度的光强，s为出光面积。
于本发明的一实施例中，所述自由曲面微结构的每个自由曲面由下式表示：
其中，z为面型的高度值(矢高)，c为顶点曲率，k为圆锥系数，cj是后面子项的系数，r是坐标点(x，y)的径长，
于本发明的一实施例中，所述灯珠为led灯珠或具有类似配光特性的点光源；且所述阵列光学结构出射的矩形光型，因不同出射角度及投射高度的随机组合可以形成许多非对称矩形光斑。
为实现上述目的，本发明还提供一种均匀矩形光斑且低眩光的灯，基于权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法制造而成，包括：形成光斑的基本阵列单元由相同的灯珠及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的光学透镜组成；任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜出光面出射的光型呈矩形；设置所述阵列光学结构，包括以下步骤：提供至少一个led灯珠，置于含有线路结构的pcb板上，与ac-dc电源相连，由电源直接驱动；于所述光学透镜入光面一侧，设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜；于所述光学透镜出光面一侧，设置通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构。
于本发明的一实施例中，tir透镜的实现，包括：传统的tir透镜进行菲涅尔化，并使出射光线准直，其中tir透镜反射面的数量为n,n≥2。
于本发明的一实施例中，入光面的光学结构面除以总出光面的比例≥75％，根据亮度l公式：l＝i/s，计算透镜菲涅尔化后形成的透镜出光面的亮度，其中，i为对应角度的光强，s为出光面积。
于本发明的一实施例中，所述自由曲面微结构的每个自由曲面由下式表示：
其中，z为面型的高度值(矢高)，c为顶点曲率，k为圆锥系数，cj是后面子项的系数，r是坐标点(x，y)的径长，
于本发明的一实施例中，所述灯珠为led灯珠或具有类似配光特性的点光源；且所述阵列光学结构出射的矩形光型，因不同出射角度及投射高度的随机组合形成许多非对称矩形光斑。
如上所述，本发明的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法和灯，具有以下有益效果：用于降低眩光指数且提供均匀矩型光斑。
附图说明
图1a显示为本发明的形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法于一实施例中的流程图；
图1b显示为没有自由曲面微结构的基本阵列单元为三乘三矩形阵列的灯的效果示意图；
图1c显示为有自由曲面微结构的基本阵列单元为三乘三矩形阵列的灯的效果示意图；
图2a显示为本发明的均匀矩形光斑且低眩光的灯于一实施例中的结构示意图；
图2b显示为本发明的均匀矩形光斑且低眩光的灯于一实施例中的自由曲面微结构示意图；
图2c显示为本发明的均匀矩形光斑且低眩光的灯于一实施例中的三乘三(3*3)基本阵列单元构示意图
图2d显示为本发明的均匀矩形光斑且低眩光的灯于一实施例中的4块3*3(三乘三)基本阵列单元组成一个6*6的led灯珠正方形出光面示意图。
元件标号说明
21灯珠
22光学透镜
221tir透镜
222自由曲面微结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，故图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法和灯，用于提供形成均匀矩型光斑且低眩光的灯具及其设计方法，用于降低眩光指数且提供均匀矩型光斑。
如图1a所示，于一实施例中，本发明的形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，包括以下步骤：
步骤s11、形成光斑的基本阵列单元由相同的灯珠及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的光学透镜组成；任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜出光面出射的光型呈矩形。
具体地，所述基本阵列单元由相同的灯珠及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的光学透镜组成。即一个基本阵列单元至少包含一个灯珠及一个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的一个光学透镜。当然一个基本阵列单元也可以包含两个灯珠及两个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的两个光学透镜。或者一个基本阵列单元也可以包含三个灯珠及三个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的三个光学透镜。而其中每个灯珠对应一个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的一个光学透镜。
具体地，所述基本阵列单元为三乘三矩形阵列即包含三个灯珠及三个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的三个光学透镜，采用三乘三矩形阵列可以使出光面为矩形，使得光斑的大小正好与道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的矩形面积相匹配。本发明的道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的面积为矩形，且本发明的灯具可以完美的与所述道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的矩形面积配合使用。其投射到地面或建筑面或工作台面上的光斑为矩形与道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成作用于人眼或设备的视场相匹配。
具体地，任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜出光面出射的光型呈矩形。所述拓扑分布是指所述基本阵列单元可以按照包括但不限于n*m的形式(其中n和m为大于等于1的自然数，例如1*1、1*2、2*3等)、蜂窝状等结构分布。
具体地，所述基本阵列单元为三乘三矩形阵列即包含三个灯珠及三个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的三个光学透镜。且所述基本阵列单元按照2*2的形式成预设阵列光学结构。即整体设计采用4块3*3(三乘三矩形阵列)基本阵列单元组成一个6*6的led灯珠正方形出光面。其中，每个3*3基本阵列单元有9个led灯珠组成。
设置所述阵列光学结构，包括以下步骤：
步骤s111、提供至少一个灯珠，置于含有线路结构的pcb板上，与ac-dc电源相连，由ac-dc(交流变直流)电源直接驱动。
具体地，所述灯珠为led灯珠与所述pcb板电路连接。
步骤s112、于所述光学透镜入光面一侧，设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。
具体地，灯珠设置于所述光学透镜入光面一侧的方向，而所述光学透镜的入光面一侧设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。即灯珠与所述tir透镜是两个独立的个体，而所述tir透镜包含采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。即所述光学透镜的入光面一侧采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。
具体地，tir透镜的实现，包括：传统的tir透镜进行菲涅尔化，并使出射光线准直，其中tir透镜反射面的数量为n,n≥2。所述tir透镜用于对所述灯珠的光束进行准直。
步骤s113、于所述光学透镜出光面一侧，设置通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构。
具体地，所述自由曲面微结构的每个自由曲面由下式表示：
其中，z为面型的高度值(矢高)，c为顶点曲率，k为圆锥系数，cj是后面子项的系数，r是坐标点(x，y)的径长，
即所述光学透镜出光面一侧采用通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构。
具体地，入光面的光学结构面除以总出光面的比例≥75％：根据亮度l公式：l＝i/s，计算透镜菲涅尔化后形成的透镜出光面的亮度，其中，i为对应角度的光强，s为出光面积。其中所述总出光面即为出光面。
具体地，所述灯珠为led灯珠或具有类似配光特性的点光源；且所述阵列光学结构出射的矩形光型，因不同出射角度及投射高度的随机组合可以形成许多非对称矩形光斑。
如图2a所示，于一实施例中，本发明的均匀矩形光斑且低眩光的灯，其特征在于，基于权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法制造而成，包括：形成光斑的基本阵列单元由相同的灯珠21及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的光学透镜22组成；任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜22出光面出射的光型呈矩形。
具体地，所述基本阵列单元由相同的灯珠21及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的光学透镜22组成。即一个基本阵列单元至少包含一个灯珠21及一个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的一个光学透镜22。当然一个基本阵列单元也可以包含两个灯珠21及两个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的两个光学透镜22。或者一个基本阵列单元也可以包含三个灯珠21及三个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的三个光学透镜22。而其中每个灯珠21对应一个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的一个光学透镜22。
具体地，所述基本阵列单元为三乘三矩形阵列即包含三个灯珠21及三个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的三个光学透镜22，采用三乘三矩形阵列可以使出光面为矩形，使得光斑的大小正好与道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的矩形面积相匹配。本发明的道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的面积为矩形，且本发明的灯具可以完美的与所述道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成的矩形面积配合使用。其投射到地面或建筑面或工作台面上的光斑为矩形与道路或建筑物或工作台面纵向与横向交叉形成作用于人眼或设备的视场相匹配。
具体地，任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜22出光面出射的光型呈矩形。所述拓扑分布是指所述基本阵列单元可以按照包括但不限于n*m的形式(其中n和m为大于等于1的自然数，例如1*1、1*2、2*3等)、蜂窝状等结构分布。
具体地，所述基本阵列单元为三乘三矩形阵列如图2c所示即包含三个灯珠21及三个菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构222的三个光学透镜22。且所述基本阵列单元按照2*2的形式成预设阵列光学结构。即整体设计采用4块3*3(三乘三)基本阵列单元组成一个6*6的led灯珠正方形出光面如图2d所示。其中，每个3*3基本阵列单元有9个led灯珠组成如图2c所示。
设置所述阵列光学结构，包括以下步骤：
提供至少一个灯珠21，置于含有线路结构的pcb板上，与ac-dc电源相连，由电源直接驱动。
具体地，所述灯珠21与所述pcb板电路连接。
于所述光学透镜22入光面一侧，设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。
具体地，灯珠21设置于所述光学透镜22入光面一侧的方向，而所述光学透镜22的入光面一侧设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。即灯珠21与所述光学透镜22是两个独立的个体，而所述光学透镜22包含采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。即所述光学透镜22的入光面一侧采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜。
具体地，tir透镜221的实现，包括：传统的tir透镜221进行菲涅尔化，并使出射光线准直，其中tir透镜221反射面的数量为n,n≥2。所述tir透镜221用于对所述灯珠21的光束进行准直。
于所述光学透镜22出光面一侧，设置通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构222。
具体地，所述自由曲面微结构222的每个自由曲面由下式表示：
其中，z为面型的高度值(矢高)，c为顶点曲率，k为圆锥系数，cj是后面子项的系数，r是坐标点(x，y)的径长，
即所述光学透镜22出光面一侧采用通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构222，如图2b所示。所述自由曲面微结构222有多个相同结构的自由曲面依次排列而成。在出光面上增加自由曲面微结构222进行调光，在出光面增加微结构，使得每个微结构都可作为新的光源出射点，并且增大了表面积，从而有效的分散了亮度的分布，可以降低出光面的最大亮度，增加表面亮度的均匀性，使得补光灯不眩目刺眼，减小行车人员的人员的不舒适性，从而降低行车不安全性。
具体地，入光面的光学结构面除以总出光面的比例≥75％：根据亮度l公式：l＝i/s，计算透镜菲涅尔化后形成的透镜出光面的亮度，其中，i为对应角度的光强，s为出光面积。其中所述总出光面即为出光面。
具体地，所述灯珠为led灯珠或具有类似配光特性的点光源；且所述阵列光学结构出射的矩形光型，因不同出射角度及投射高度的随机组合可以形成许多非对称矩形光斑。
综上所述，本发明形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法和灯，用于提供形成均匀矩型光斑且低眩光的灯具及其设计方法，用于降低眩光指数且提供均匀矩型光斑。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
1.一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
形成光斑的基本阵列单元由相同的灯珠及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的光学透镜组成；任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜出光面出射的光型呈矩形；
设置所述阵列光学结构，包括以下步骤：
提供至少一个灯珠，置于含有线路结构的pcb板上，与ac-dc电源相连，由ac-dc电源直接驱动；
于所述光学透镜入光面一侧，设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜；
于所述光学透镜出光面一侧，设置通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构。
2.根据权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，其特征在于,tir透镜的实现，包括：
传统的tir透镜进行菲涅尔化，并使出射光线准直，其中tir透镜反射面的数量为n,n≥2。
3.根据权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，其特征在于，入光面的光学结构面除以总出光面的比例≥75％：
根据亮度l公式：l＝i/s，计算透镜菲涅尔化后形成的透镜出光面的亮度，其中，i为对应角度的光强，s为出光面积。
4.根据权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，其特征在于，所述自由曲面微结构的每个自由曲面由下式表示：
其中，z为面型的高度值(矢高)，c为顶点曲率，k为圆锥系数，cj是后面子项的系数，r是坐标点(x，y)的径长，
所述自由曲面微结构由预设数量的矩形单位晶格组成。
5.根据权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法，其特征在于，所述灯珠为led灯珠或具有类似配光特性的点光源；且所述阵列光学结构出射的矩形光型，因不同出射角度及投射高度的随机组合可以形成许多非对称矩形光斑。
6.一种均匀矩形光斑且低眩光的灯，其特征在于，基于权利要求1所述的一种形成均匀矩型光斑且低眩光的光学设计方法制造而成，包括：
形成光斑的基本阵列单元由相同的灯珠及菲涅尔化后进行准直且含有矩形晶格的自由曲面微结构的光学透镜组成；任意所述基本阵列单元按照拓扑分布形成预设阵列光学结构，且每个光学透镜出光面出射的光型呈矩形；
设置所述阵列光学结构，包括以下步骤：
提供至少一个灯珠，置于含有线路结构的pcb板上，与ac-dc电源相连，由电源直接驱动；
于所述光学透镜入光面一侧，设置采用菲涅尔透镜原理制成的用于准直且具有降低透镜厚度增加出光面积的全内反射tir(totalinternalreflection)透镜；
于所述光学透镜出光面一侧，设置通过一曲面方程计算公式设计可用于调光的自由曲面微结构。
7.根据权利要求6所述的一种均匀矩形光斑且低眩光的灯，其特征在于，tir透镜的实现，包括：传统的tir透镜进行菲涅尔化，并使出射光线准直，其中tir透镜反射面的数量为n,n≥2。
8.根据权利要求6所述的一种均匀矩形光斑且低眩光的灯，其特征在于，入光面的光学结构面除以总出光面的比例≥75％，根据亮度l公式：l＝i/s，计算透镜菲涅尔化后形成的透镜出光面的亮度，其中，i为对应角度的光强，s为出光面积。
9.根据权利要求6所述的一种均匀矩形光斑且低眩光的灯，其特征在于，所述自由曲面微结构的每个自由曲面由下式表示：
其中，z为面型的高度值(矢高)，c为顶点曲率，k为圆锥系数，cj是后面子项的系数，r是坐标点(x，y)的径长，
所述自由曲面微结构由预设数量的矩形单位晶格组成。
10.根据权利要求6所述的一种均匀矩形光斑且低眩光的灯，其特征在于，所述灯珠为led灯珠或具有类似配光特性的点光源；且所述阵列光学结构出射的矩形光型，因不同出射角度及投射高度的随机组合形成许多非对称矩形光斑。
技术总结