一種用于led光源準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于LED面光源準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，屬于發(fā)光二極管封裝和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。系統(tǒng)包括非球面反射面、準(zhǔn)直透鏡、透明平板，整個(gè)系統(tǒng)關(guān)于其中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；非球反射面使照射在其上的全部光線反射后不經(jīng)準(zhǔn)直透鏡直接出射；準(zhǔn)直透鏡使照射在其上的全部光線折射后出射，透明平板連接外側(cè)的反射面和中間的準(zhǔn)直透鏡，起固定準(zhǔn)直透鏡的作用，但不改變照射在其上的光線方向。LED面光源放在準(zhǔn)直透鏡前3mm處，這樣從1mm×1mmLED光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)此光學(xué)系統(tǒng)后出射光線的最大半視場(chǎng)角為4.400，不計(jì)菲涅爾損失和材料吸收，光能利用率可以達(dá)到100%，將在遠(yuǎn)場(chǎng)形成一個(gè)中心亮、邊緣稍暗的圓形光照區(qū)域，達(dá)到發(fā)明目的。
【專利說(shuō)明】一種用于LED光源準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于LED光源準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，目的是將LED芯片發(fā)出的光在沒(méi)有能量損失的條件下限制在一定角度內(nèi)出射形成圓形的光照區(qū)域，屬于發(fā)光二極管封裝和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]迅猛發(fā)展的大功率LED光源由于其發(fā)光效率超過(guò)白熾燈，又比熒光燈的含汞、鉛、有紫外光和頻閃等綠色環(huán)保，還具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、相應(yīng)速度快、耐振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛用于照明領(lǐng)域。針對(duì)LED光源特點(diǎn)設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)也日新月異。
[0003]但是LED發(fā)出的光是發(fā)散的，會(huì)造成很大的能量損失。由于實(shí)際需求，比如探照燈、手電筒、夜視系統(tǒng)甚至聚焦系統(tǒng)，需要在沒(méi)有能量損失的前提下，解決LED光線發(fā)散角過(guò)大的問(wèn)題，把LED光源出射光變?yōu)榻跤谄叫谐錾涔?。?shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變(也稱為L(zhǎng)ED光源的準(zhǔn)直)主要依靠一套準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，包含準(zhǔn)直透鏡和反射曲面鏡等。準(zhǔn)直透鏡根據(jù)其形狀主要有對(duì)稱球面透鏡、對(duì)稱非球面透鏡和自由曲面透鏡，反射曲面鏡主要有自由曲面反射鏡、非球面反射鏡等。利用自由曲面透鏡或者自由曲面反射鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是現(xiàn)在最為普遍的準(zhǔn)直方式，設(shè)計(jì)這種準(zhǔn)直鏡一般方法是通過(guò)光源與照明目標(biāo)之間的映射關(guān)系把設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為解一組微分方程。
[0004]目前，理想點(diǎn)光源的準(zhǔn)直問(wèn)題已得到了很好的解決，如文獻(xiàn)《Freeform lensdesign for LED collimating illumination》 和《Freeform surface design for alight-emitting diode - based collimating lens》中所給出的全內(nèi)反射和折射系統(tǒng)。但是對(duì)于LED光源仍然存在出射半視場(chǎng)角過(guò)大問(wèn)題,對(duì)于Imm XlmmLED光源,文獻(xiàn)《Freeformlens design for LED collimating illumination》所給出的準(zhǔn)直系統(tǒng),在半視場(chǎng)角5°內(nèi)的光能利用率為 86.5% ;文獻(xiàn)《Freeform surface design for a light-emitting diode - basedcollimating lens》所給出的準(zhǔn)直系統(tǒng)，在半視場(chǎng)角5°內(nèi)的光能利用率為81.5%。這些系統(tǒng)都是將LED面光源近似為理想點(diǎn)光源來(lái)完成的，然后推廣到LED面光源，通過(guò)特定光學(xué)軟件模擬或者實(shí)驗(yàn)得到其最大半視場(chǎng)角和光能利用率。但LED光源終究不是理想點(diǎn)光源，其尺寸大小不能像理想點(diǎn)光源一樣忽略不計(jì)，因此這些方法不能用于LED面光源的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。
[0005]視場(chǎng)角過(guò)大，有一部分光會(huì)照射到所需照明區(qū)域之外，造成光能的浪費(fèi)甚至光污染和眩光問(wèn)題。因此有必要設(shè)計(jì)一套針對(duì)LED面光源準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，使LED面光源經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)發(fā)出光的視場(chǎng)角盡量小，且使所有的出射光線全部限制在此視場(chǎng)角內(nèi)，光能損失僅僅由于菲涅爾損失和制造光學(xué)系統(tǒng)的材料吸收造成。
[0006]綜上所述，現(xiàn)階段LED的封裝光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不能滿足半導(dǎo)體照明需要，有必要設(shè)計(jì)一種能將大發(fā)散角的LED面光源出射光全部壓縮在小的視場(chǎng)角之內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明是為了解決LED照明中視場(chǎng)角過(guò)大，光能利用率較低的問(wèn)題而完成的，其目的是提供一種針對(duì)LED面光源而設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，能使LED光源發(fā)出的所有光都被限制在一個(gè)小的視場(chǎng)角內(nèi)。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案:
一種用于LED面光源準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括外側(cè)的高次非球面(I)、中間的準(zhǔn)直透鏡(2)、固定準(zhǔn)直透鏡的透明平行平板(3)，所述光學(xué)系統(tǒng)關(guān)于其中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；
從LED光源(4)發(fā)出的光照射到中間的準(zhǔn)直透鏡部分經(jīng)透鏡兩次折射后以小視場(chǎng)角出射，照射到光學(xué)系統(tǒng)外側(cè)反射面(I)部分經(jīng)反射后不經(jīng)過(guò)中間的準(zhǔn)直透鏡(2)而直接出射；固定準(zhǔn)直透鏡的透明平行平板不改變光的方向。
[0009]優(yōu)選的，所述的準(zhǔn)直透鏡(2)由前表面(21)、后表面(22)、上斜平面(23)、下斜平面(25)、上水平面(24)和下水平面(26)圍成；前表面為球面，高度為6.58 mm，后表面是高次非球面，高度為11.3 mm，上水平面和下水平面寬度1.16 mm;上述高次非球反射面和高次非球面透鏡的非球面系數(shù)應(yīng)滿足下列公式的要求:
【權(quán)利要求】
1.一種用于LED面光源準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括外側(cè)的高次非球面(I)、中間的準(zhǔn)直透鏡(2)、固定準(zhǔn)直透鏡的透明平行平板(3)，所述光學(xué)系統(tǒng)關(guān)于其中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱；WLED光源(4)發(fā)出的光照射到中間的準(zhǔn)直透鏡部分經(jīng)透鏡兩次折射后以小視場(chǎng)角出射，照射到光學(xué)系統(tǒng)外側(cè)反射面(I)部分經(jīng)反射后不經(jīng)過(guò)中間的準(zhǔn)直透鏡(2)而直接出射，固定準(zhǔn)直透鏡的透明平行平板(3 )不改變光的方向。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于LED準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的準(zhǔn)直透鏡(2)由前表面(21)、后表面(22)、上斜平面(23)、下斜平面(25)、上水平面(24)和下水平面(26)圍成；前表面為球面，高度為6.58 mm，后表面是高次非球面，高度為11.3 mm，上水平面和下水平面寬度1.16 mm ;上述高次非球反射面和高次非球面透鏡的非球面系數(shù)應(yīng)滿足下列公式的要求:
3.如權(quán)利要求1-2所述的一種用于LED準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:透明平行平板(3)的厚度小于準(zhǔn)直透鏡(2)的上下水平面寬度，厚度為0.5mm，材料為ACRYLIC。
4.如權(quán)利要求1-3所述的一種用于LED準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的準(zhǔn)直透鏡(2)前3 mm處放置LED芯片，芯片最大發(fā)光面積為I mmX I mm。
5.如權(quán)利要求1-4所述的一種用于LED準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于:所述外側(cè)的高次非球面(I)的材料為ACRYLIC，非球面參數(shù)為
6.如權(quán)利要求1所述的一種用于LED準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡(2)的鏡頭參數(shù)為
7.如權(quán)利要求1所述的一種用于LED準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡(2)的材料為ACRYLIC，折射率為1.52054。
【文檔編號(hào)】G02B27/30GK104020574SQ201410188603
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】秦華, 馮東太, 劉繼祥 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)