基於折衍混合的LED照明系統的製作方法

2023-12-01 06:29:52 1

本發明涉及照明領域，尤其涉及一種基於折衍混合的led照明系統。

背景技術：

led晶片光源與傳統光源相比較，具有高節能、壽命長、利環保、體積小、亮度高等突出的優點。隨著單個led光通量的不斷提高，其在照明領域的應用也越來越受到青睞。

由於led與傳統光源存在著一定的差異，傳統照明系統的光學設計與結構不能充分發揮led光源的優勢。

因此，為提高整個照明系統的性能，需針對led晶片進行一次、二次光學設計。

目前，一次光學設計一般都是將一次透鏡與led晶片粘合成一個整體，led光源也主要是封裝在平面基板上。此時，led晶片最大發光角度是180度，而且led晶片還會存在一些雜散光。通過一次透鏡後，led晶片發出的光雖能實現一定程度的會聚，但這並不能充分利用光能，為此，在使用led光源時往往還會再配置一個反光杯。儘管如此，在照明面上還是無法實現均勻照明，故需要再次進行二次光學設計。二次光學設計在一定程度上實現了照明面上的均勻照明，但這卻犧牲了led在尺寸和亮度方面的優勢。

如何保證在照明面上實現均勻照明的同時，使led照明系統具有照明效率高、設計簡單靈活、結構輕巧緊湊、易於加工製造的特點是目前需要解決的問題。

技術實現要素：

本發明為解決上述問題，提供了一種基於折衍混合的led照明系統，該系統不僅能夠實現照明面上的均勻照明，而且該系統具有照明效率高、設計簡單靈活、結構輕巧緊湊、易於加工製造的特點。

基於折衍混合的led照明系統，該系統包括導熱性能高的曲面基板、led晶片、高折射率凸透鏡和衍射光學元件。

折衍混合的led照明系統中的led晶片是直接貼裝在導熱性能高的曲面基板上的。導熱性能高的基板不僅能夠解決led晶片的散熱問題，而且還能夠起到反光杯的作用，提高了系統的能量利用率。

折衍混合的led照明系統中的高折射率凸透鏡，高效地收集了led晶片發出的所有光線，並根據設計要求，以特定的出光角度出射光線，保證了整個照明系統的高效照明。

折衍混合的led照明系統中的衍射光學元件是實現均勻照明的關鍵。衍射光學元件具有體積小、重量輕、易複製、高衍射效率、更多的設計自由度、寬廣的材料可選擇性等特點。所以將衍射光學元件應用在折衍混合的led照明系統中，不僅設計簡單、可實現均勻照明，而且也保證了整個系統結構的輕巧緊湊。

折衍混合的led照明系統中的衍射元件設計自由靈活，因而可根據特殊的照明要求實現特定的照明效果。這使得折衍混合的led照明系統的應用範圍更為廣闊。

折衍混合的led照明系統的組合，只需先將導熱性能高的曲面基板、led晶片和高折射率凸透鏡根據設計要求設計並封裝為一個整體，再將設計完成的衍射光學元件組裝上即可。

本發明的有益效果：

1、系統照明均勻；

2、照明效率高；

3、設計簡單靈活；

4、結構輕巧緊湊；

5、可根據照明效果設計衍射元件，適用範圍廣。

附圖說明

圖1單晶片折衍混合的led照明系統的結構示意圖；

圖2單晶片折衍混合的led照明系統的沿對稱軸的剖視圖；

圖3單晶片折衍混合的led照明系統在衍射元件前的光強分布曲線；

圖4單晶片折衍混合的led照明系統實現均勻照明時照明面上的光強分布曲線；

圖5條形區域內的4個晶片折衍混合的led照明系統。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1、2所示，單晶片折衍混合的led照明系統，包括導熱性能高的曲面基板1、led晶片2、高折射率凸透鏡3和衍射光學元件4。貼裝在導熱性能高的曲面基板上的led晶片發出的光經透鏡折射，部分光經曲面基板的反射，入射到衍射光學元件，最終在照明面上實 現了均勻的光強分布。衍射光學元件通過對入射光波的相位調製，改變光波的傳播方向、振幅、相位和偏振態，可控制光的傳播方向，提高照明亮度，實現高效照明和光強在照明面上的均勻分布。

如圖3所示，單晶片折衍混合的led照明系統在衍射元件前的光強分布曲線近似為朗伯光源面的光強分布曲線。故該系統在不存在衍射光學元件的情況下，可看作朗伯光源，則在θ角方向光強為

iθ＝i0cosθ(1)

式中i0為朗伯光源法線方向上的發光強度，θ為該發光面的法線與所指定的方向的夾角，此時在照明面上的光強分布不均勻。

如圖4所示，單晶片折衍混合的led照明系統實現均勻照明時照明面上的光強分布曲線呈近平頂分布，可見，衍射元件實現均勻照明的效果明顯，照明面上的光強分布可視作均勻。

衍射光學元件的設計是在已知光學系統輸入面光場復振幅分布|f(x，y)|的情況下，計算衍射光學元件的相位分布以正確調製入射光場，實現預期的照明面光場復振幅分布|u(x′，y′)|。

但大多數情況下，無法直接求出衍射光學元件相位分布的解析解，故利用數值優化算法尋求在某種範數下的最優解。在某種光學功能下(範數已知)，該範數下的實際照明面復振幅分布與理想情況的差為

最小時的即為衍射光學元件相位分布。

用gs算法確定的具體步驟：

第一步：任意給定一初始相位分布與入射光場復振幅分布|f(x，y)|構成入射波函數f(x，y)；

第二步：對f(x，y)作傅立葉變換得g(u，v)；

第三步：照明面上預期得到的振幅分布為|u(x′，y′)|，作傅立葉變換得|u(u，v)|；

第四步：用g(u，v)的相位部分與|u(u，v)|構成函數g′(u，v)；

第五步：對g′(u，v)作傅立葉逆變換得到下一步迭代波函數f′(x，y)。

重複以上步驟直至均方誤差sse小於預先規定的指標ε，

此時，最小，衍射光學元件相位分布為

如圖5所示，為條形區域內的4個晶片折衍混合的led照明系統。導熱性能高的基板是曲面的，可根據照明要求先對基板的曲面進行設計，再將led晶片和凸透鏡與曲面基板組合，最後組裝上設計完成的衍射元件。整個設計過程簡單靈活，加工製造時也方便快捷。

此處只是簡單的應用，折衍混合的led照明系統可廣泛應用於路燈、隧道燈、檯燈等照明設計中。

本發明的實現，使得led照明系統的結構更為輕巧緊湊、設計更加簡單靈活並且系統的照明效率更高，加工製造也更容易，適用範圍更廣。