本發(fā)明涉及一種用于LED光源準直的全折射準直光學系統(tǒng)，目的是將1mm×1mmLED光源發(fā)出的±85°之間光經過此全折射準直光學系統(tǒng)后，在沒有能量損失(不計菲涅耳損耗和材料吸收)的條件下，把出射光線的最大半視場角壓縮到±4.4°以內，屬于發(fā)光二極管封裝和應用
技術領域：
。
背景技術：
：LED光源屬于朗伯發(fā)光體，出射光束的發(fā)散角在±90°之間，光強分布不均勻，如果不對其發(fā)散角進行壓縮匯聚，難以滿足照明所需要的遠距離高亮度的要求。因此通過對LED封裝的二次光學設計，以壓縮其發(fā)散角在一定范圍之內，從而形成較強光強的遠場光場分布。二次封裝器件主要包括反射聚光杯和整形透鏡等。反射聚光杯也稱為反射鏡，有拋物面反射鏡、橢球面反射鏡、雙曲面反射鏡、自由曲面反射鏡、高次非球面反射鏡等。反射鏡主要根據反射原理對LED出射光束進行壓縮和整形。透鏡包括球面透鏡、自由曲面透鏡和非球面透鏡等，主要根據折射原理對對LED出射光束進行壓縮和整形。準直系統(tǒng)一般采用反射部分和折射部分相組合的結構，如文獻《FreeformlensdesignforLEDcollimatingillumination》和《Freeformsurfacedesignforalight-emittingdiode–basedcollimatinglens》中所給出的準直系統(tǒng)。這種系統(tǒng)使LED發(fā)散角較大的出射光照射在反光杯上，通過反射實現(xiàn)準直，使發(fā)散角較小的出射光照射在自由曲面透鏡上，通過折射實現(xiàn)準直。這種準直系統(tǒng)也分反射和折射兩部分分別進行設計，給設計工作者增加了工作量。到目前為止，文獻檢索發(fā)現(xiàn)還沒有采用全折射方式對LED光源進行發(fā)散角壓縮的光學系統(tǒng)。采用全折射準直光學系統(tǒng)，一是減少設計工作量，二是減小了準直系統(tǒng)的橫向線度(垂直光軸方向上)。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明設計出了對于1mm×1mmLED光源準直的一種全折射光學系統(tǒng)，依靠這種系統(tǒng)不僅使LED的發(fā)散角從±85°壓縮到±4.4°，而且在±4.4°以內光能利用率能夠達到100％。本發(fā)明的準直系統(tǒng)結構如圖3所示，整個準直系統(tǒng)從光源至光束輸出方依次包括1mm×1mmLED光源、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡，第一透鏡為高次非球面彎月形透鏡，包括第一透鏡的第一非球面和第一透鏡的第二球面；第二透鏡為球面彎月形球面透鏡，包括第二透鏡的第一球面和第二透鏡的第二球面；第三透鏡和第四透鏡亦為球面彎月形球面透鏡，分別包括第三透鏡的第一球面和第三透鏡的第二球面，第四透鏡的第一球面和第四透鏡的第二球面；從LED光源發(fā)出的光依次經準直系統(tǒng)的四個透鏡折射后出射，把LED出射光束的發(fā)散角從±85°壓縮到±4.4°。優(yōu)選的，非球面透鏡的非球面系數應滿足下列的公式要求：x=Ch21+1-h2C2(1+a2)+Σj=24a2jh2j]]>其中：x是透鏡在光軸方向上的矢高，C為非球鏡面的曲率，a2為圓錐常數，a2j為非球面形變系數。優(yōu)選的，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡組成共軸系統(tǒng)，整個系統(tǒng)關于其軸旋轉對稱。優(yōu)選的，1mm×1mmLED光源位于第一透鏡的第一非球面頂點前0.3mm處的垂軸平面上，光源中心在光軸上。優(yōu)選的，系統(tǒng)中的四個透鏡都由冕玻璃材質構成，其折射率為1.52054。優(yōu)選的，所述準直光學系統(tǒng)的鏡頭參數如下：第一透鏡的第一非球面的非球面系數如下：標示表面a2a4a6a811第一透鏡的第一非球面-20.0-0.05-0.0004-0.000005優(yōu)選的，第一透鏡的高度大于2×2.6157mm，第二透鏡的高度大于2×8.5881mm，第三透鏡的高度大于2×11.4381mm，第四透鏡的高度大于2×16.0000mm。本發(fā)明的有益效果如下：(1)現(xiàn)有的LED準直光學系統(tǒng)包括反射罩和折射透鏡兩部分，本發(fā)明只通過折射透鏡部分就可以實現(xiàn)LED光源的準直，因此使系統(tǒng)在垂直光軸方向上的線度減小，可以使系統(tǒng)小型化；(2)1mm×1mmLED光源的發(fā)散角從±85°壓縮到±4.4°，且光能利用率在不計菲涅爾損失和材料吸收時達100％；(3)材料采用普通的光學玻璃，有利于節(jié)省成本，大量推廣利用。附圖說明圖1為本發(fā)明的光學系統(tǒng)結構示意圖；圖2為本發(fā)明光學系統(tǒng)結構的三維示意圖；圖3為本發(fā)明的光學系統(tǒng)組成部分及物理量標示；圖4為1mm×1mmLED光源發(fā)出的光經過準直系統(tǒng)的二維光路模擬；圖5為1mm×1mmLED光源發(fā)出的光經過準直系統(tǒng)的三維光路模擬；圖6為在x＝10m處垂軸平面上的出射光斑。圖中：1、第一透鏡；2、第二透鏡；3、第三透鏡；4、第四透鏡；5、1mm×1mmLED光源；11、第一透鏡的第一非球面；12、第一透鏡的第二球面；21、第二透鏡的第一球面；22、第二透鏡的第二球面；31、第三透鏡的第一球面；32、第三透鏡的第二球面；41、第四透鏡的第一球面；42、第四透鏡的第二球面；dl、LED光源5與第一透鏡(1)前表面(11)頂點的距離；d2、第一透鏡(1)前表面(11)頂點至后表面(12)頂點的距離；d3、第一透鏡(1)后表面(12)頂點至第二透鏡(2)前表面(21)頂點的距離；d4、第二透鏡(2)前表面(21)頂點至后表面(22)頂點的距離；d5、第二透鏡(2)后表面(22)頂點至第三透鏡前表面(31)頂點的距離；d6、第三透鏡(3)前表面(31)頂點至后表面(32)頂點的距離；d7、第三透鏡(3)后表面(32)頂點至第四透鏡前表面(41)頂點的距離；d8、第四透鏡(4)前表面(41)頂點至后表面(42)頂點的距離。具體實施方式以下結合實施例對本發(fā)明做進一步描述。實施例1如圖1所示，用于LED光源準直的全折射光學系統(tǒng)的具體設計參數如下表所示。第一透鏡的第一非球面的非球面系數如下：標示表面a2a4a6a811第一透鏡的第一非球面-20.0-0.05-0.0004-0.000005如圖3所示，1mm×1mmLED光源5中心位于光軸上，且光源中心距離第一透鏡的第一非球面11頂點為d1＝0.3mm，第一透鏡1前表面頂點至后表面頂點的距離d2＝3.50mm；第一透鏡1后表面頂點至第二透鏡2前表面頂點的距離d3＝5.0mm，第二透鏡2前表面頂點至后表面頂點的距離d4＝6.0mm，第二透鏡2后表面頂點至第三透鏡3前表面頂點的距離d5＝5.0mm，第三透鏡3前表面頂點至后表面頂點的距離d6＝3.9641mm，第三透鏡3后表面頂點至第四透鏡4前表面頂點的距離d7＝7.0mm，第四透鏡4前表面頂點至后表面頂點的距離d8＝4.9683mm。第一透鏡1前表面滿足下列的公式要求：x=Ch21+1-h2C2(1+a2)+Σj=24a2jh2j]]>其中：x是透鏡在光軸方向上的矢高，C為非球鏡面的曲率，a2為圓錐常數，a2j為非球面形變系數。取曲率C＝-0.03mm-1、a2＝-20.0、a4＝-0.05、a6＝-0.0004、a8＝-0.000005。第一透鏡1后表面的球面曲率C＝-0.3823mm-1，第二透鏡2前表面的球面曲率C＝-0.0491mm-1，第二透鏡2后表面的球面曲率C＝-0.0906mm-1，第三透鏡3前表面的球面曲率C＝-0.10mm-1，第三透鏡3后表面的球面曲率C＝-0.080mm-1，第四透鏡4前表面的球面曲率C＝-0.0028mm-1，第四透鏡4后表面的球面曲率C＝-0.0350mm-1。第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3和第四透鏡4均由冕玻璃材質構成，其折射率為1.52054。四個透鏡組成共軸系統(tǒng)，第一透鏡1的高度大于2×2.6157mm，第二透鏡2的高度大于2×8.5881mm，第三透鏡3的高度大于2×11.4381mm，第四透鏡4的高度大于2×16.0000mm。系統(tǒng)總長度為36mm，出光口徑32mm。1mm×1mmLED光源經過該系統(tǒng)后出射光線的最大半視場角小于4.40°，若不計菲涅耳損失和材料吸收，光能利用率可以達到100％，在遠場形成一個中心亮、邊緣稍暗、近似高斯分布的方形光照區(qū)域，如圖6所示。當前第1頁1 2 3