窄光束led照明光學系統及其設計方法
2023-06-15 14:02:36 1
專利名稱：窄光束led照明光學系統及其設計方法
技術領域：
本發明涉及LED照明光學系統，尤其涉及一種用於多晶片集成式高功率LED (C0B型LED)的二次光學系統，以及實現小角度窄光出射效果的一種設計方法，屬於非成像光學技術領域。
背景技術：
LED光源本身是一個近似的朗伯光源，難以滿足各種照明用途的需求，因此必須根據不同的應用場合，針對LED光源設計不同的光學系統，對LED光源發出的光進行整形，進行光能量的二次分布。隨著電路板上直接晶片封裝(COB)技術的發展，其高功率密度、色度均勻及體積小等特點，使COB型LED光源越來越多的應用到商業照明中。COB型LED光源面積較單顆LED光源大很多，將數十顆LED晶片集成封裝時,光源面積能達到到25mm*25mm,該光源的優勢在於大大降低了 LED光源的數量，減小了燈具面積，降低燈具成本，較低的色容差使應用燈具具有較好的顏色一致性。然而，面向COB型光源的二次光學設計卻較為困難。目前大多數專利的設計方法均基於近似點光源的設計，而COB型LED屬於擴展光源，點光源設計方法不再適用於COB型LED。目前採用的光學系統多為反射杯，但其控制光線的能力有限，對於小角度的光線無法進行很好的控制，想要達到小角度精確照明的配光效果，往往需要較大的體積，且容易產生雜散光，使得接收面功能區域的相對光利用率較低。面向單顆LED的小型TIR (total internal reflection)透鏡可以較好的完成窄光束配光要求，但當其應用於COB型LED光源時，出光效果會產生嚴重畸變。而普通透鏡通常只能對LED光源發出的與其光軸成一定角度以內的光線調整方向，無法控制大角度的光線，也存在接收面功能區域的相對光利用率較低的問題。因此，如何解決COB型LED光源配光難的問題，實現窄光束精確照明的功能及其設計方法，是LED照明技術領域，尤其是用於商業照明領域亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種針對COB型LED光源的光能量進行合理分配的窄光束LED照明光學系統及其設計方法。本發明要解決的技術問題在於，針對如何提高LED燈具的光能利用率，提供一種以COB型LED為光源的配光系統，實現小角度的重點照明，並且實現照明區域較高的光度均勻性和色度均勻性的效果。主要解決原有傳統反射器式或透鏡式光學系統的缺陷與不足。本發明的技術方案如下:一種窄光束LED照明光學系統，包括COB型LED光源、自由曲面透鏡以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透鏡和自由曲面反射杯對COB型LED光源發出的光進行區域化控制；其中，自由曲面透鏡控制COB型LED光源發出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發出的大角度的光。其中一種結構為:所述自由曲面透鏡設置在自由曲面反射杯的內部杯底並與自由曲面反射杯相連，所述COB型LED光源設置在自由曲面反射杯的內部杯底與自由曲面透鏡的內腔所圍成的空間之內。所述COB型LED光源發出的O度至α度的光線透過自由曲面透鏡頂部，均勻分布在β度以內；所述COB型LED光源發出的α度到90度的光線透過自由曲面透鏡側壁，經過自由曲面反射杯內表面反射，分布在照明區域內。所述自由曲面透鏡包括透鏡頂部、透鏡側壁和透鏡底部；所述透鏡頂部由內表面和外表面組成；所述透鏡頂部外表面是上凸或下凹的自由曲面。所述透鏡頂部外表面製成菲涅爾透鏡。所述自由曲面反射杯的內表面為鍍層處理。所述自由曲面反射杯的內表面為鱗甲結構，所述鱗甲高度不高於0.05_。本發明還提供一種權利要求1所述的窄光束LED照明光學系統的設計方法，以光源所在平面為X軸，中垂線為I軸建立坐標系，以光源中心為原點，設擴展光源半徑為R，生成透鏡自由曲面以及反射杯自由曲面；生成透鏡自由曲面的步驟如下:I)設H為LED光源左邊緣R1的光線與y軸的交點，坐標為(0，H)；2)根據光源尺寸D (D=2R)，取第一次折射光線上的點Xtl作為透鏡外表面曲線的
起始點，並使\點處的法線]^豎直向上；3 )根據光學擴展量守恆式
權利要求
1.一種窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:包括COB型LED光源、自由曲面透鏡以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透鏡和自由曲面反射杯對COB型LED光源發出的光進行區域化控制；其中，自由曲面透鏡控制COB型LED光源發出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發出的大角度的光。
2.根據權利要求1所述窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:一種可行的結構為:所述自由曲面透鏡設置在自由曲面反射杯的內部杯底並與自由曲面反射杯相連，所述COB型LED光源設置在自由曲面反射杯的內部杯底與自由曲面透鏡的內腔所圍成的空間之內。
3.根據權利要求2所述窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:所述COB型LED光源發出的O度至α度的光線透過自由曲面透鏡頂部，均勻分布在β度以內；所述COB型LED光源發出的α度到90度的光線透過自由曲面透鏡側壁，經過自由曲面反射杯內表面反射，分布在照明區域內。
4.根據權利要求1或2或3所述窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:所述自由曲面透鏡包括透鏡頂部、透鏡側壁和透鏡底部；所述透鏡頂部由內表面和外表面組成；所述透鏡頂部外表面是上凸或下凹的自由曲面。
5.根據權利要求4所述窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:所述透鏡頂部外表面製成菲涅爾透鏡。
6.根據權利要求1或2或3所述窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:所述自由曲面反射杯的內表面為鍍層處理。
7.根據權利要求6所述窄光束LED照明光學系統，其特徵在於:所述自由曲面反射杯的內表面為鱗甲結構，所述鱗甲高度不高於0.05_。
8.—種權利要求1所述的窄光束LED照明光學系統的設計方法，其特徵在於:以光源所在平面為X軸，中 垂線為I軸建立坐標系，以光源中心為原點，設擴展光源半徑為R，生成透鏡自由曲面以及反射杯自由曲面； 生成透鏡自由曲面的步驟如下: 1)設H為LED光源左邊緣R1的光線與y軸的交點，坐標為(0，H)； 2)根據光源尺寸D(D=2R)，取第一次折射光線上的點Xtl作為透鏡外表面曲線的起始點，並使Xtl點處的法線)^豎直向上； 3)根據光學擴展量守恆式 β InxD= J Ldβ -β 求出投射寬度L ;其中，D為光源直徑，β為出射光線與y軸夾角，η為光學材料的折射率； 4)直線a為R1出射光線，取與其距離L的直線b作為光源邊緣艮的出射光線，在直線b上取點Y。； 5)根據折射定律矢量形式 』LlULl Lttl ^ tilt ULltAUii[I + rr - 2η(Ου ■ //;)]'' _ N = On1- η In求出Ytl點得法線方向K ;其中:和E分別為出射和入射光線單位矢量，$為界面法線單位矢量； 6)根據Xtl,Y0的坐標以及它們的法線方向和Λ丨，插值一條連續曲線，使之通過X。和Yci,同時在這兩點滿足法線方向%和$ ;由此可以擬定一條連續曲線ΧΛ)作為計算起始曲線； 7)將初始曲線XciYtl劃分η小段，得到曲線上的η+1點，分別為Xtl Xn,對應未知曲線的點Y0 Yn; 8)取Xtl較近一點X1,出射光線為直線C，把距直線C為L的直線d作為艮經透鏡折射後的另一條光線；計算出直線d與Y0點得切線的交點Y1，根據折射定律矢量形式計算出Y1點得法線方向；同樣根據X1, Y1的坐標以及它們的法線方向，插值三次曲線； 9)取X1較近一點X2，依次類推計算，使用同步多曲面法計算剩下的點，直到α的範圍在40° 45°為止，最終得到透鏡截面曲線； 生成反射杯自由曲面的步驟如下: 1)確定初始線段A1B1，從與y軸夾角最大光線開始考慮，這一簇光線對應屏幕上的起始點為A，初始入射光線R1A1經過反射到達Γι ;根據邊緣光線理論，&發出的某一條光線入射到初始曲線端點B1也會被反射到，則曲線段A1B1是以艮和Γι為兩個焦點橢圓的部分曲線；角Θ P角Q1分別為出射光線Anrn、Bnrn與光軸y的夾角； 2)設光源亮度為B，而發出與7軸夾角較小而直接照射在屏幕上而產生的照度可由
全文摘要
本發明公開一種窄光束LED照明光學系統及其設計方法，以自由曲面透鏡和自由曲面反射杯對COB型LED光源發出的光進行區域化互補控制；自由曲面透鏡控制COB型LED光源發出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發出的大角度的光。本發明結合透鏡和反射杯的各自優點，克服了單純用反射杯或者透鏡無法利用所有光線的缺點。並運用菲涅爾透鏡將小角度光線匯聚，使光學系統達到輕、薄和小的效果，減小透鏡中心厚度，提高光效率；同時，將階梯狀微結構透鏡運用於透鏡內側面，實現同一套光學系統適用於不同尺寸大小的COB型光源。
文檔編號F21S2/00GK103196066SQ20131014065
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者張尚超, 張順清, 袁衛星, 揚東建, 梅傑 申請人:無錫實益達電子有限公司