專利名稱：窄光束led照明光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種用于多芯片集成式高功率LED (C0B型LED)的二次光學(xué)系統(tǒng)，以及實現(xiàn)小角度窄光出射效果的一種設(shè)計方法，屬于非成像光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(jù)不同的應(yīng)用場合，針對LED光源設(shè)計不同的光學(xué)系統(tǒng)，對LED光源發(fā)出的光進行整形，進行光能量的二次分布。隨著電路板上直接芯片封裝(COB)技術(shù)的發(fā)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(yīng)用到商業(yè)照明中。COB型LED光源面積較單顆LED光源大很多，將數(shù)十顆LED芯片集成封裝時,光源面積能達到到25mm*25mm,該光源的優(yōu)勢在于大大降低了 LED光源的數(shù)量，減小了燈具面積，降低燈具成本，較低的色容差使應(yīng)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(xué)設(shè)計卻較為困難。目前大多數(shù)專利的設(shè)計方法均基于近似點光源的設(shè)計，而COB型LED屬于擴展光源，點光源設(shè)計方法不再適用于COB型LED。目前采用的光學(xué)系統(tǒng)多為反射杯，但其控制光線的能力有限，對于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(chǎn)生雜散光，使得接收面功能區(qū)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(yīng)用于COB型LED光源時，出光效果會產(chǎn)生嚴重畸變。而普通透鏡通常只能對LED光源發(fā)出的與其光軸成一定角度以內(nèi)的光線調(diào)整方向，無法控制大角度的光線，也存在接收面功能區(qū)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(xiàn)窄光束精確照明的功能及其設(shè)計方法，是LED照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其是用于商業(yè)照明領(lǐng)域亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種針對COB型LED光源的光能量進行合理分配的窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，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(tǒng)，實現(xiàn)小角度的重點照明，并且實現(xiàn)照明區(qū)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(tǒng)反射器式或透鏡式光學(xué)系統(tǒng)的缺陷與不足。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，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(fā)出的光進行區(qū)域化控制；其中，自由曲面透鏡控制COB型LED光源發(fā)出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發(fā)出的大角度的光。其中一種結(jié)構(gòu)為:所述自由曲面透鏡設(shè)置在自由曲面反射杯的內(nèi)部杯底并與自由曲面反射杯相連，所述COB型LED光源設(shè)置在自由曲面反射杯的內(nèi)部杯底與自由曲面透鏡的內(nèi)腔所圍成的空間之內(nèi)。所述COB型LED光源發(fā)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(nèi)；所述COB型LED光源發(fā)出的α度到90度的光線透過自由曲面透鏡側(cè)壁，經(jīng)過自由曲面反射杯內(nèi)表面反射，分布在照明區(qū)域內(nèi)。所述自由曲面透鏡包括透鏡頂部、透鏡側(cè)壁和透鏡底部；所述透鏡頂部由內(nèi)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制成菲涅爾透鏡。所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鍍層處理。所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鱗甲結(jié)構(gòu)，所述鱗甲高度不高于0.05_。本發(fā)明還提供一種權(quán)利要求1所述的窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(shè)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(jù)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，并使\點處的法線]^豎直向上；3 )根據(jù)光學(xué)擴展量守恒式
權(quán)利要求
1.一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于: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(fā)出的光進行區(qū)域化控制；其中，自由曲面透鏡控制COB型LED光源發(fā)出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發(fā)出的大角度的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:一種可行的結(jié)構(gòu)為:所述自由曲面透鏡設(shè)置在自由曲面反射杯的內(nèi)部杯底并與自由曲面反射杯相連，所述COB型LED光源設(shè)置在自由曲面反射杯的內(nèi)部杯底與自由曲面透鏡的內(nèi)腔所圍成的空間之內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述COB型LED光源發(fā)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(nèi)；所述COB型LED光源發(fā)出的α度到90度的光線透過自由曲面透鏡側(cè)壁，經(jīng)過自由曲面反射杯內(nèi)表面反射，分布在照明區(qū)域內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述自由曲面透鏡包括透鏡頂部、透鏡側(cè)壁和透鏡底部；所述透鏡頂部由內(nèi)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(jù)權(quán)利要求4所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述透鏡頂部外表面制成菲涅爾透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鍍層處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鱗甲結(jié)構(gòu)，所述鱗甲高度不高于0.05_。
8.—種權(quán)利要求1所述的窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于: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(shè)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(shè)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(jù)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，并使Xtl點處的法線)^豎直向上； 3)根據(jù)光學(xué)擴展量守恒式 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(xué)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(jù)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，$為界面法線單位矢量； 6)根據(jù)Xtl,Y0的坐標以及它們的法線方向和Λ丨，插值一條連續(xù)曲線，使之通過X。和Yci,同時在這兩點滿足法線方向%和$ ;由此可以擬定一條連續(xù)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(yīng)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(jīng)透鏡折射后的另一條光線；計算出直線d與Y0點得切線的交點Y1，根據(jù)折射定律矢量形式計算出Y1點得法線方向；同樣根據(jù)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的范圍在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(yīng)屏幕上的起始點為A，初始入射光線R1A1經(jīng)過反射到達Γι ;根據(jù)邊緣光線理論，&發(fā)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(shè)光源亮度為B，而發(fā)出與7軸夾角較小而直接照射在屏幕上而產(chǎn)生的照度可由
全文摘要
本發(fā)明公開一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)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(fā)出的光進行區(qū)域化互補控制；自由曲面透鏡控制COB型LED光源發(fā)出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發(fā)出的大角度的光。本發(fā)明結(jié)合透鏡和反射杯的各自優(yōu)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。并運用菲涅爾透鏡將小角度光線匯聚，使光學(xué)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)透鏡運用于透鏡內(nèi)側(cè)面，實現(xiàn)同一套光學(xué)系統(tǒng)適用于不同尺寸大小的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(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者張尚超, 張順清, 袁衛(wèi)星, 揚東建, 梅杰 申請人:無錫實益達電子有限公司