折返式led照明光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及LED照明的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，包括自由曲面透鏡和自由曲面反射器，所述自由曲面透鏡和自由曲面反射器共軸，間距為0.01m-0.1m；所述自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面；第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面；第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)；第五曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面；以及第四曲面，為圓柱面，用于連接第三曲面和第五曲面；所述自由曲面反射器，由三個(gè)曲面組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了任意視場角的照明，而不會因?yàn)槿瓷浣档凸鈱W(xué)系統(tǒng)的光效。
【專利說明】折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED照明的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]LED作為一種新型光源，由于其高光效，壽命長，無毒害等優(yōu)點(diǎn)使其在成為白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)的光源的完美替代者。但由于LED的光強(qiáng)分布為圓形的朗伯型分布，如果直接應(yīng)用于照明，則會在目標(biāo)面上形成極為不均勻的照度分布，無法滿足各種照明場合對燈具光學(xué)性能的要求。為了使LED更好的應(yīng)用于照明領(lǐng)域，需要設(shè)計(jì)二次光學(xué)系統(tǒng)重新分配LED的光強(qiáng)分布，使得其在目標(biāo)面能夠形成均勻或者其它特定的照度分布。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)LED燈具在目標(biāo)面上的既定照度分布，目前多采用設(shè)計(jì)LED自由曲面透鏡來達(dá)到這個(gè)目的。在中國發(fā)明專利說明書CNlO1144863B中公開了 一種控制LED光束的透鏡。該透鏡利用自由曲面光線出射面來精確控制出射光束能量空間分布，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足不同照明需要的光斑形狀與照度分布。在中國實(shí)用新型專利說明書CN20320202741U中公開了一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)。這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)利用菲涅爾透鏡對小角度的光線進(jìn)行會聚；對大角度的光線在采用全反射面實(shí)現(xiàn)既定照明。從而實(shí)現(xiàn)了 LED小角度的高光效照明。除了透鏡，反射型的光學(xué)系統(tǒng)也被用于LED照明當(dāng)中。中國發(fā)明專利申請說明書CN103234173A中提出了一種基于高漫反射率的自由曲面LED光學(xué)系統(tǒng)。這種光學(xué)系統(tǒng)利用自由曲面反射面實(shí)現(xiàn)對LED光線的重新分配。
[0004]LED 二次透鏡雖然可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面的既定照明，但是還存在以下問題:(I)由于光線從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時(shí)存在全反射現(xiàn)象，因此當(dāng)照明視場角約大于60度時(shí)，由于全反射現(xiàn)象的存在使得透鏡的光效隨著視場角的增大而不斷下降；(2)根據(jù)光亮度的定義，光源的尺寸越小亮度越高，此時(shí)人就覺得越“刺眼”。由于LED的發(fā)光尺寸極小，通常為ImmX Imm,因此透射式的LED光學(xué)系統(tǒng)存在比較嚴(yán)重的“刺眼”現(xiàn)象。相比LED 二次透鏡，反射式的LED 二次光學(xué)系統(tǒng)視場角不受限制，沒有“刺眼”現(xiàn)象，但是在實(shí)際使用中，由于需要安裝LED芯片、散熱片、PCB板等裝置，因此存在遮擋問題，會造成不能全部利用LED發(fā)出的光線或者部分光線不能經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的整形直接照射至目標(biāo)面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對室內(nèi)照明等通用照明場合，設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域均勻照明的折返式的LED 二次光學(xué)系統(tǒng)，這種光學(xué)系統(tǒng)不存在“刺眼”現(xiàn)象，同時(shí)具有較高的光效。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，包括自由曲面透鏡和自由曲面反射器，所述自由曲面透鏡和自由曲面反射器共軸，間距為0.0lm-0.1m ；
[0007]所述自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線平行于z軸；第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線成為與χ軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線重合；第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)，將經(jīng)過第二曲面折射之后的光線反射至與Z軸平行的方向；第五曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于控制經(jīng)過第一曲面、第二曲面和第三曲面之后平行于Z軸的光線，使得這束平行于Z軸的光線在經(jīng)過第五曲面后在空間中任一個(gè)與Z軸垂直的圓平面上形成均勻的照度分布；以及第四曲面，為圓柱面，用于連接第三曲面和第五曲面；
[0008]所述自由曲面反射器，由三個(gè)曲面組成，其中第一曲面為自由曲面，控制第二自由曲面透鏡發(fā)出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分別為反射器的第一基座和第二基座。
[0009]進(jìn)一步地，所述第一曲面和第二曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出:設(shè)定第一自由曲面的初始點(diǎn)，通過下式迭代得到其輪廓線:
[0010].
【權(quán)利要求】
1.一種折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括自由曲面透鏡(I)和自由曲面反射器(2)，所述自由曲面透鏡(I)和自由曲面反射器(2)共軸，間距為0.01m-0.1m ； 所述自由曲面透鏡(I)包括第一曲面(11)，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線平行于z軸；第二曲面(12)，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線成為與X軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線重合；第三曲面(13)，為旋轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)，將經(jīng)過第二曲面(12)折射之后的光線反射至與z軸平行的方向；第五曲面(15)，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于控制經(jīng)過第一曲面(11)、第二曲面(12)和第三曲面(13)之后平行于z軸的光線，使得這束平行于z軸的光線在經(jīng)過第五曲面(15)后在空間中任一個(gè)與z軸垂直的圓平面上形成均勻的照度分布；以及第四曲面(14)，為圓柱面，用于連接第三曲面(13)和第五曲面(15); 所述自由曲面反射器(2)，由三個(gè)曲面組成，其中第一曲面為自由曲面(21)，控制第二自由曲面透鏡(2)發(fā)出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分別為反射器的第一基座(22)和第二基座(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一曲面(11)和第二曲面(12)上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出:設(shè)定第一自由曲面的初始點(diǎn)，通過下式迭代得到其輪廓線:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第五曲面(15)上點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)與第一曲面(11)、第二曲面(12)和第三曲面(13)上對應(yīng)點(diǎn)相同，將光源的角度空間劃分為MXN份，每份中的光通量相同，計(jì)算對應(yīng)的第五曲面(15)的x、y軸坐標(biāo)，同時(shí)將出射光斑形成均勻分布的圓平面劃分為MXN個(gè)面積相等的單元，并計(jì)算這些單元節(jié)點(diǎn)的x、y軸坐標(biāo)，選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的z軸坐標(biāo)為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折返式LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述自由曲面反射器(2)的自由曲面(21)由一定多個(gè)的子曲面組成，相鄰的兩個(gè)子曲面之間由平行于z軸的平面連接，將目標(biāo)面劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(Tx，Ty, Tz)，選定曲面的初始點(diǎn)，通過迭代的方法求解初始骨架曲線上點(diǎn)的ζ軸坐標(biāo)為:
【文檔編號】F21Y101/02GK103912809SQ201410125879
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】張曉暉, 陳琛, 陳亮, 程剛 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)