CN101373046B - Led定向投射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED定向投射器，该种定向投射器与大功率LED配用，用于LED照明。该种定向投射器包括对大功率LED小角度内出光作用的部分和对大功率LED大角度内出光作用的部分，可以有效收效大功率LED全部出光，并使收集到的LED出光经定向投射器作用后分布在光轴两侧预定的光分布范围。该种LED定向投射器各表面未涂任何涂层，透射器所用的材料为常用的光学塑料。该种LED定向投射器结构紧凑、光能传输效率高，在设计以大功率LED为光源的照明系统时，采用本发明所提出的LED定向投射器有助于LED照明系统的后续设计，将推动大功率LED更加广泛的应用。

Description

LED定向投射器

技术领域：

本发明涉及LED照明，是一种与大功率LED配用的定向投射器。

背景技术：

LED是21世纪具有竞争力的新型固体光源，它具有效率高、光色纯、寿命长、可靠耐用、调整灵活、结构紧凑、工作电压低等优点。随着LED技术的不断完善，以LED为光源的照明系统不断增多，如LED投影仪、LED射灯、LED手电、LED信号指示器等。采用LED作为光源可以减小照明系统的体积，同时又可以延长照明系统的寿命。然而由于LED出光分布范围大，单位光学扩展量所具有的光能与传统光源相比较低，直接采用LED光源进行照明在大多数情况下都难以满足照明灯具和器件所需要达到的性能指标，因此，对以LED为光源的照明系统进行二次光学设计是十分必要的。

中国专利03806386.7中公布了一种用于收集并均匀传输LED光的系统，该系统主要包含反射器和透镜两部分。直接入射到透镜表面的LED小角度内的出光，先经透镜前表面折射，再经透镜后表面折射成接近圆柱形的出光；LED大角度内的出光，先经反射器反射，再经透镜前表面折射及后表面折射成接近圆柱形的出光。该系统利用一个反射器和一个透镜，实现了对LED出光的有效收集和调整。然而，该系统所包含的反射器和透镜是独立的两部分，而非一个光学元件，反射器和透镜之间存在一定的安装距离，这势必导致系统结构不紧凑。此外，由于LED的出光经该系统作用后，仅以接近圆柱形的光束出射，因此该系统的应用有很大的局限性。

发明内容：

本发明的目的是针对直接采用光源大功率LED照明的局限性以及现有对大功率LED出光进行收集和调整的系统的不足，提供一种LED定向投射器，使大功率LED的出光得到有效的收集，同时使大功率LED出光经定向投射器作用后的光分布得到有效的控制。

为达到上述目的，本发明的构思是：该种LED定向投射器采用全内反射(Total InternalReflection)技术，根据光学扩展量守恒设计而得，结构紧凑，能有效收集大功率LED全部出光以及有效控制大功率LED出光经LED定向投射器作用后的光分布；该种LED定向投射器包括对大功率LED小角度内出光作用的部分及对大功率LED大角度内出光作用的部分；对大功率LED小角度内出光作用的部分通过两个折射面对光线的偏折，实现对大功率LED小角度内出光的收集和调整；对大功率LED大角度内出光作用的部分通过两个折射面和一个全反射面对光线的偏折，实现对大功率LED大角度内出光的收集和调整；对大功率LED小角度内出光作用的部分与对大功率LED大角度内出光作用的部分相连构成该种LED定向投射器，同时形成一个内凹的空腔，该空腔用于放置大功率LED；该种LED定向投射器是一个独立的光学元件，关于光轴对称且各表面无任何涂层。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种LED定向投射器，包括对大功率LED小角度内出光作用的部分和对大功率LED大角

度内出光作用的部分，其特征在于：

1)、所述对大功率LED小角度内出光作用的部分由第一折射曲面和第二折射曲面组成；所述的第一折射曲面位于出光口处、向外凸起并与光轴相交，所述的第二折射曲面与第一折射曲面相对、位于第一折射曲面下方且与光轴相交；

2)、所述对大功率LED大角度内出光作用的部分由第一全反射曲面、第三折射曲面及第四折射曲面组成；所述的第一全反射曲4位于投射器外侧面，所述的第三折射曲面与第一折射曲面相连且位于出光口处，所述的第四折射曲面与第二折射曲面相连且位于第二折射曲面下方。

上述LED定向投射器，有一个位于定向投射器外侧面的第一连接曲面连接第三折射曲面和第一全反射面；有一个第五折射曲面与第四折射曲面相连且位于第四折射曲面下方；有一个第二全反射曲面位于投射器外侧面且位于第一全反射曲面的下方；有一个位于投射器外侧面的第二连接曲面连接第一全反射曲面和第二全反射曲面。

上述LED定向投射器，有一个位于定向投射器底部的第一连接平面连接第五折射曲面和第二全反射面。

上述第二折射面、第四折射面和第五折射面组成一个内凹的空腔，该空腔用于放置光源大功率LED。

上述投射器所用的材料为常用光学塑料，如聚甲基丙烯甲酯PMMA、或苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物、或聚碳酸酯PC、或聚苯乙烯PS、或苯乙烯-丁二烯-丙烯酯ABS、或烯丙基二甘碳酸酯CR39、或苯乙烯-丙烯腈共聚物AS。

上述第一折射曲面对应的出光口半径满足下式：

$r=\frac{S_2{P}_0-S_1{P}_0}{2\sin \mathrm{\θ}}$

其中，S₁P₀为二维下芯片上表面对应的轮廓线边缘点S₁到第二折射曲面对应的轮廓曲线AB的端点P₀的光程；S₂P₀为二维下芯片上表面对应的轮廓线边缘点S₂到第二折射曲面对应的轮廓曲线AB的端点P₀的光程；角θ为由边缘点S₁或边缘点S₂出射经定向投射器作用后对应波前W₁或波前W₂的出光与光轴的夹角，根据设计要求在

范围内选取θ值。

上述第一折射曲面由第一折射曲面对应的轮廓曲线CD绕光轴旋转一周得到；第二折射曲面由第二折射曲面对应的轮廓曲线AB绕光轴旋轴一周得到。

上述曲线CD上位于y轴左侧的曲线段P₁P₃和曲线AB上位于y轴左侧的曲线段P₀P₂均为笛卡尔卵圆；根据由边缘点S₂出射的光线经曲线段P₀P₂折射后相交于点P₁可求得曲线段P₀P₂上的点及曲线段P₀P₂在所求点处的法线，根据过P₀的光线经曲线段P₁P₃折射后出光对应波前W₁可求得曲线段P₁P₃上的点及曲线段P₁P₃在所求点处的法线；曲线段P₁P₃和曲线段P₀P₂范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取；待求点为用于拟合曲线段P₁P₃和P₀P₂的点；

由边缘点S₁出射入射到曲线AB上点P₂的光线经曲线AB折射对应折射光线P₂P₅，光线P₂P₅再经曲线CD折射出光对应波前W₁，根据曲线段P₀P₂在点P₂处的法线以及边缘点S₁到波前W₁的光程1求得点P₅，进而求得曲线CD在点P₅处的法线；由边缘点S₂出射入射到曲线AB上点P₄的光线经曲线AB折射对应折射光线P₄P₅，光线P₄P₅再经曲线CD折射出光对应波前W₂，根据光线P₄P₅对应的折射光线的方向、曲线CD在点P₅处的法线以及边缘点S₂到波前W₂的光程1可求得点P₄，进而求得曲线AB在点P₄处的法线；由边缘点S₁出射入射到曲线AB上点P₄的光线经曲线AB折射对应折射光线P₄P₇，光线P₄P₇再经曲线CD折射出光对应波前W₁，根据曲线AB在点P₄处的法线以及边缘点S₁到波前W₁的光程1求得点P₇，进而求得曲线CD在点P₇处的法线；根据求解曲线AB上点P₄的过程和求解曲线CD上点P₅及点P₇的过程，可求得曲线AB位于y轴左侧的部分除去曲线段P₀P₂所得的曲线上的一些点以及曲线CD位于y轴左侧的部分除去曲线段P₁P₃所得的曲线上的一些点；

根据上述求解过程求得曲线AB和曲线CD位于y轴左侧的曲线上的点，由对称性求得已求点关于y轴的对称点，之后分别拟合曲线AB和曲线CD上的已求点得轮廓曲线AB和轮廓曲线CD。

上述第三折射曲面为圆锥面；第三折射曲面对应的轮廓曲线EC斜率的选取应保证经第一全反射曲面和第二全反射曲面全反射后的光线在第三折射曲面上不产生全反射。

上述第一全反射曲面对应的轮廓曲线FM端点R₁的选取应满足下式：

$\mathrm{\π}({x_1}^2-{x_2}^2)>\frac{E}{4{\sin }^2\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\πr}}^2$

其中，参数x₁为点G₁的横坐标，参数x₂为点G₂的横坐标，E为大功率LED出光的光学扩展量，r为第一折射曲面对应的出光口半径；同时，应使点R₁位于直线EC下方，并保证接下来求得的曲线AT在点R₀处的法线与x轴正向的夹角在3rad左右；由边缘点S₁出射入射到点R₀的光线，经折射入射到点R₁，经全反射后再经折射成光线2。与光线2对应的是光线1，光线1和光线2延长线相交于点G₁。假设由边缘点S₁出射入射到点F₁的光线经全反射后入射到线段EC的端点C，后经折射成光线4。与光线4对应的是光线3，光线3和光线4延长线相交于点G₂。

上述第四折射曲面由第四折射曲面对应的轮廓曲线AT绕光轴旋转一周得到；第一全反射曲面由第一全反射曲面对应的轮廓曲线FM绕光轴旋轴一周得到。

上述曲线AT上的曲线段R₀R₂以及曲线FM上的曲线段R₁R₃均为笛卡尔卵圆；根据由边缘点S₁出射的光线经曲线段R₀R₂折射后相交于点R₁可求得曲线段R₀R₂上的点及曲线段R₀R₂在所求点处的法线，根据过点R₀的光线经曲线段R₁R₃全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁可求得曲线段R₁R₃上的点及曲线段R₁R₃在所求点处的法线；曲线段R₀R₂和曲线段R₁R₃范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取；

由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₂的光线，经曲线AT折射对应折射光线R₂R₅，光线R₂R₅经曲线FM全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁，根据曲线段R₀R₂在点R₂处的法线以及由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₂的光线的方向求得光线R₂R₅的方向，并把直线R₂R₅与曲线FM在点R₃处的切线的交点作为点R₅，进而求得曲线FM在点R₅处的法线；由边缘点S₁出射入射到曲线AT上点R₄的光线，经曲线AT折射对应折射光线R₄R₅，光线R₄R₅经曲线FM全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₂；根据曲线FM在点R₅处的法线以及光线R₄R₅对应的反射光线的方向求得光线R₄R₅的方向，并把直线R₄R₅与曲线AT在点R₂处的切线的交点作为点R₄，进而求得曲线AT在点R₄处的法线；由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₄的光线，经曲线AT折射对应折射光线R₄R₇，光线R₄R₇经曲线FM全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁。根据曲线AT在点R₄处的法线以及由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₄的光线的方向求得光线R₄R₇的方向，并把直线R₄R₇与曲线FM在点R₅处的切线的交点作为点R₇，进而求得曲线FM在点R₇处的法线；根据求解曲线AT上点R₄的过程和求解曲线FM上点R₅及点R₇的过程，可求得曲线AT和曲线FM除去笛卡尔卵圆所得的剩余曲线上的一些点；

为保证曲线AT有较大的下降趋势及曲线AT在x轴投影长度较短，要求曲线AT在所有已求点处的法线与x轴正向均有较大的夹角(该夹角一般应大于1.9rad)；当曲线AT在已求点R_2n处的法线与x轴正向的夹角大于或等于1.9rad而在下一点处的法线与x轴正向的夹角小于1.9rad时，此时应结束上述求解过程；为实现所有入射到曲线AT的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线FM，经曲线FM全反射后再经线段EC折射成满足预定角度范围的光分布，在曲线AT和曲线FM的末端应分别有一段笛卡尔卵圆：曲线段R_2nR_2n+2和曲线段R_2n+1R_2n+3；根据由边缘点S₂出射的光线经曲线段R_2nR_2n+2折射后相交于点R_2n+3可求得曲线段R_2nR_2n+2上的点及曲线段R_2nR_2n+2在所求点处的法线，根据过点R_2n的光线经曲线段R_2n+1R_2n+3全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₂可求得曲线段R_2n+1R_2n+3上的点及曲线段R_2n+1R_2n+3在所求点处的法线；曲线段R_2nR_2n+2和曲线段R_2n+1R_2n+3范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取；

分别拟合曲线AT和曲线FM上的已求点得轮廓曲线AT和轮廓曲线FM；在轮廓曲线AT上各点处的法线与x轴夹角小于

之前，廓曲线AT未与x轴相交。

上述第二全反射曲面对应的轮廓曲线FM端点H₁的选取应满足下式：

π(x₃ ²-x₄ ²)＞S-S_CD-S_FM

其中，参数x₃为点G₃的横坐标，参数x₄为点G₄的横坐标，参数S为从投射器出光口出射波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积，参数S_CD为经第二折射曲面和第一折射曲面折射成的波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积，参数S_FM为先经第四折射曲面折射，后经第一全反射曲面全反射，再经第三折射曲面折射成的波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积；同时，应使点H₁位于曲线FM下方，并要求点H₁的横坐标大于或者等于点M的横坐标，这样便于在注塑成型时开模，同时要保证接下来求得的曲线TV在点H₀处的法线与x轴正向的夹角在3rad左右；由边缘点S₁出射入射到点H₀的光线，经折射入射到点H₁，经全反射后再经折射成光线6。与光线6对应的是光线5，光线5和光线6延长线相交于点G₃。假设由边缘点S₁出射入射到点F₁的光线经全反射入射到线段EC的端点C，后经折射成光线8。与光线8对应的是光线7，光线7和光线8延长线相交于点G₄。

上述第五折射曲面由第五折射曲面对应的轮廓曲线TV绕光轴旋转一周得到；第二全反射曲面由第二全反射曲面对应的轮廓曲线NQ绕光轴旋轴一周得到。

上述曲线TV上的曲线段H₀H₂以及曲线NQ上的曲线段H₁H₃均为笛卡尔卵圆；根据由边缘点S₁出射的光线经曲线段H₀H₂折射后相交于点H₁可求得曲线段H₀H₂上的点及曲线段H₀H₂在所求点处的法线，根据过H₀的光线经曲线段H₁H₃全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁可求得曲线段H₁H₃上的点及曲线段H₁H₃在所求点处的法线；曲线段H₀H₂和曲线段H₁H₃范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取，待求点为曲线段H₀H₂和曲线H₁H₃的拟合点；

由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₂的光线，经曲线TV折射对应折射光线H₂H₅，光线H₂H₅经曲线NQ全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁，根据曲线段H₀H₂在点H₂处的法线以及由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₂的光线的方向求得光线H₂H₅的方向，并把直线H₂H₅与曲线FM在点H₃处的切线的交点作为点H₅，进而求得曲线NQ在点H₅处的法线；由边缘点S₁出射入射到曲线TV上点H₄的光线，经曲线TV折射对应折射光线H₄H₅，光线H₄H₅经曲线NQ全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₂；根据曲线NQ在点H₅处的法线以及光线H₄H₅对应的反射光线的方向求得光线H₄H₅的方向，并把直线H₄H₅与曲线TV在点H₂处的切线的交点作为点H₄，进而求得曲线TV在点H₄处的法线；由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₄的光线，经曲线TV折射对应折射光线H₄H₇，光线H₄H₇经曲线NQ全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁；根据曲线TV在点H₄处的法线以及由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₄的光线的方向求得光线H₄H₇的方向，并把直线H₄H₇与曲线NQ在点H₅处的切线的交点作为点H₇，进而求得曲线NQ在点H₇处的法线；根据求解曲线TV上点H₄的过程和求解曲线NQ上点H₅及点H₇的过程，可求得曲线TV和曲线NQ除去笛卡尔卵圆所得的剩余曲线上的一些点；

由于曲线AT端点T的纵坐标很小，而且曲线TV在点H₀处的法线与x轴正向交角很大，因此在曲线TV上各点处的法线与x轴正向的夹角小于1.9rad之前，曲线TV将与x轴相交于点V；

为实现所有入射到曲线TV的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线NQ，经曲线NQ全反射后再经线段EC折射成满足预定角度范围的光分布，在曲线TV末端应有一段笛卡尔卵圆：曲线段H_2nH_2n+2；根据由边缘点S₂出射的光线经曲线段H_2nH_2n+2折射后相交于点H_2n+1可求得曲线段H_2nH_2n+2上的点及曲线段H_2nH_2n+2在所求点处的法线；曲线段H_2nH_2n+2范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取；

分别拟合曲线TV和曲线NQ上的已求点得轮廓曲线TV和轮廓曲线NQ。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明将大功率LED置于上述空腔中，可有效收集大功率LED的全部出光；该种LED定向投射器采用了全内反射技术，光线经全反射没有光能损失，系统的光能损失主要是由各个折射面的菲涅尔反射以及定向投射器所用材料对光能的吸收引起的，然而损失的这部分能量在LED总出射光能中所占比例很小，因此本发明LED定向投射器能有效传输LED的出射光能，系统具有很高的效率；此外，本发明LED定向投射器根据预定的出射光分布范围以及光学扩展量守恒设计而得，能有效控制大功率LED出光经LED定向投射器作用后的光分布，并且保证系统结构紧凑；在设计以大功率LED为光源的照明系统时，采用本发明所提出的LED定向投射器有助于LED照明系统的后续设计，将推动大功率LED更加广泛的应用。

附图说明：

图1是本发明LED定向投射器过光轴的截面图。

图2是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图3是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图4是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图5是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图6是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图7是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图8是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图9是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图10是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

图11是本发明LED定向投射器轮廓曲线设计原理图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明LED定向投射器的结构见附图1。该种LED定向投射器光轴对称，由十个面构成；位于出光口、与光轴相交并向外凸起的曲面为第一折射曲面1，与第一折射曲面1相对、位于第一折射曲面1下方且与光轴相交的曲面为第二折射曲面10，位于出光口且与第一折射曲面1相连的曲面为第三折射曲面2；位于投射器外侧面且与第三折射曲面2相连的曲面为第一连接曲面3，第一连接曲面3不参与对LED出光的偏折，只起到连接其相邻曲面的作用；位于投射器外侧面且与第一连接曲面3相连的曲面为第一全反射曲面4，第一全反射曲面4位于第一连接曲面3的下方；位于投射器外侧面、与第一全反射曲面4相连且位于第一全反射曲面4的下方的曲面为第二连接曲面5；第二连接曲面5不参与对LED出光的偏折，只起到连接其相邻曲面的作用；位于投射器外侧面、与第二连接曲面5相连且位于第二连接曲面5下方的曲面为第二全反射曲面6，位于第二折射曲面10下方且与第二折射曲面10相连的曲面为第四折射曲面9，位于第四折射曲面9下方且与第四折射曲面9相连的曲面为第五折射曲面8；连接第五折射曲面8及第二全反射曲面6且位于投射器底部的平面为第一连接平面7，第一连接平面7只起到连接相邻曲面的作用，不参与对LED出光的偏折。

第一折射曲面1和第二折射曲面10构成LED定向投射器对大功率LED小角度内出光作用的部分，第三折射曲面2、第一全反射曲面4、第二全反射曲面6、第四折射曲面9及第五折射曲面8构成LED定向投射器对大功率LED大角度内出光作用的部分；第二折射曲面10、第四折射曲面9及第五折射曲面8组成一个内凹的空腔，该空腔用于放置光源大功率LED。

在设计本发明LED定向投射器时，重点是找到满足设计要求的第一折射曲面1、第二折射曲面10、第三折射曲面2、第四折射曲面9、第五折射曲面8、第一全反射曲面4和第二全反射曲面6。

本发明LED定向投射器对大功率LED小角度内出光作用的部分的设计原理参见附图2及附图3。二维下，第一折射曲面1和第二折射曲面10对应的轮廓曲线分别为曲线CD和曲线AB，点S₁和点S₂为大功率LED芯片上表面的两个边缘点。角θ为预定的光分布范围，所谓预定的光分布范围是指设计所要求的经LED定向投射器作用后的出光与光轴最大的夹角。设计时，角θ为由边缘点S₁(边缘点S₂)出射经定向投射器作用后对应波前W₁(波前W₂)的出光与光轴的夹角，波前W₁和波前W₂关于光轴对称，所以对应波前W₁的出光与光轴的夹角和对应波前W₂的出光与光轴的夹角的大小相等，根据设计要求在

内选取θ。W₁为与光轴右侧成θ角的出光对应的波前，W₂为与光轴左侧成θ角的出光对应的波前。n为投射器所用材料的折射率，n₁为大功率LED透镜所用材料的折射率。

入射到第二折射曲面10的大功率LED小角度内出光，经折射后全部入射到第一折射曲面1，再经第一折射曲面1折射成满足预定角度范围的光分布。点P₀为曲线AB的起始点，设计的初始条件：起始点P₀、点P₁的纵坐标以及波前W₁和W₂。

为保证投射器结构紧凑，在选取起始点P₀时应参考大功率LED透镜的尺寸。由起始点P₀，可求得二维下由芯片出射入射到曲线AB的光束的光学扩展量

e＝2×(S₂P₀-S₁P₀)

其中，S₁P₀为点S₁到点P₀的光程，S₂P₀为点S₂到点P₀的光程。根据光学扩展量守恒定律以及预定的光分布角度θ，求得曲线CD对应的出光口半径

$r=\frac{S_2{P}_0-S_1{P}_0}{2\sin \mathrm{\θ}}$

根据出光口半径r以及给定的点P₁的纵坐标即可确定点P₁。为实现所有入射到曲线AB的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线CD，再经折射后出射光分布在预定的分布范围，要求：光线S₂P₀折射后入射到曲线CD上的点P₁，再经折射成波前为W₁的出光；光线S₁P₀折射后入射到曲线CD上的点P₃，再经折射成波前为W₁的出光；光线S₂P₂折射后入射到曲线CD上的点P₁，再经折射成波前为W₂的出光。

根据上述要求可知：曲线段P₁P₃及曲线段P₀P₂均为笛卡尔卵圆。对于曲线段P₁P₃，过点P₀的所有光线经曲线段P₁P₃折射到波前W₁的光程均相等。根据由边缘点S₂出射入射到点P₀的光线经曲线段P₀P₂折射对应光线P₀P₁，可求得曲线段P₀P₂在点P₀处的法线。由边缘点S₁出射入射到点P₀的光线经曲线段P₀P₂折射对应光线P₀P₃，根据曲线段P₀P₂在点P₀处的法线可求得光线P₀P₃的方向。将点P₀视为点光源，根据由该点光源出射的光线经曲线段P₁P₃折射后到波前W₁的光程相等，可求得点P₃。根据费马原理，可求得曲线段P₁P₃除点P₁和点P₃之外的其余点。由于光线P₀P₁和光线P₀P₃夹角很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取。

根据光线P₀P₁的方向以及光线P₀P₁对应的折射光线的方向可求得曲线段P₁P₃在点P₁处的法线，再根据光线P₂P₁对应的折射光线的方向可求得光线P₂P₁的方向。由于边缘点S₂到点P₁的光程为一定值，根据费马原理可求得点P₂。根据光线P₂P₁的方向以及由边缘点S₂出射入射到点P₂的光线的方向，可求得曲线段P₀P₂在点P₂处的法线。同时，根据费马原理可求得曲线段P₀P₂除点P₀和点P₂之外的其余点。由于光线P₀P₁和光线P₁P₂夹角很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取。

根据已求点P₃可求得边缘点S₁到波前W₁的光程1，由于边缘点S₁和边缘点S₂关于光轴对称，因此边缘点S₂到波前W₂的光程也为1。

由边缘点S₁出射入射到曲线AB上点P₂的光线经曲线AB折射对应折射光线P₂P₅，光线P₂P₅再经曲线CD折射出光对应波前W₁。由于曲线段P₀P₂在点P₂处的法线已求得，因此可求得光线P₂P₅的方向，再根据边缘点S₁到波前W₁的光程1可求得点P₅。同时，根据光线P₂P₅的方向以及光线P₂P₅对应的折射光线的方向可求得曲线CD在点P₅处的法线。由边缘点S₂出射入射到曲线AB上点P₄的光线经曲线AB折射对应折射光线P₄P₅，光线P₄P₅再经曲线CD折射出光对应波前W₂。根据光线P₄P₅对应的折射光线的方向以及曲线CD在点P₅处的法线可求得光线P₄P₅的方向，再根据边缘点S₂到波前W₂的光程1可求得点P₄。同时，根据光线P₄P₅的方向以及由边缘点S₂出射入射到曲线AB上点P₄的光线的方向可求得曲线AB在点P₄处的法线。由边缘点S₁出射入射到曲线AB上点P₄的光线经曲线AB折射对应折射光线P₄P₇，光线P₄P₇再经曲线CD折射出光对应波前W₁。由于曲线AB在点P₄处的法线已求得，因此可求得光线P₄P₇的方向，再根据边缘点S₁到波前W₁的光程1可求得点P₇。同时，根据光线P₄P₇的方向以及光线P₄P₇对应的折射光线的方向可求得曲线CD在点P₇处的法线。根据求解曲线AB上点P₄的过程和求解曲线CD上点P₅及点P₇的过程，可求得曲线AB位于y轴左侧的部分除去曲线段P₀P₂所得的曲线上的一些点以及曲线CD位于y轴左侧的部分除去曲线段P₁P₃所得的曲线上的一些点。

根据上述求解过程求得曲线AB和曲线CD位于y轴左侧的曲线上的点，由对称性求得已求点关于y轴的对称点，之后分别拟合曲线AB和曲线CD上的已求点得轮廓曲线AB和轮廓曲线CD。

按此设计过程得到的曲线除端点之外，其余每个点仅有两条边缘光线通过，并且所有入射到曲线AB的大功率LED出光经曲线CD折射后均分布在光轴两侧角θ的范围内。边缘光线指由边缘点S₁和边缘点S₂出射的光线。曲线AB和曲线CD分别绕光轴旋转一周，得到第二折射曲面10和第一折射曲面1。

本发明LED定向投射器对大功率LED大角度内出光作用的部分的设计原理见附图4、附图5、附图6、

附图7、附图8、附图9、附图10、附图11。

二维下，第三折射曲面2对应的轮廓曲线为曲线EC，第一全反射曲面4对应的轮廓曲线为曲线FM，第四折射曲面9对应的轮廓曲线为曲线AT，参见附图5。入射到第四折射曲面9的大功率LED大角度内出光，经折射后全部入射到第一全反射曲面4，经第一全反射曲面4全反射后再经第三折射曲面2折射出射光分布在预定的分布范围。设计的初始条件：起始点R₀及点R₁。为方便设计加工，第三折射曲面2取为圆锥面，第三折射曲面2的轮廓曲线EC斜率的选取应保证经第一全反射曲面4和第二全反射曲面6全反射后的光线在第三折射曲面2上不产生全反射。

曲线AB的端点A即为起始点R₀，点R₁的确定参见附图4。由边缘点S₁出射入射到点R₀的光线，经折射入射到点R₁，经全反射后再经折射成光线2。与光线2对应的是光线1，光线1和光线2延长线相交于点G₁。假设由边缘点S₁出射入射到点F₁的光线经全反射后入射到线段EC的端点C，后经折射成光线4。与光线4对应的是光线3，光线3和光线4延长线相交于点G₂。

根据LED出光的光学扩展量E以及光学扩展量守恒定律，得

E＝4Ssin²θ

其中，参数S为从投射器出光口出射对应波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积。由此可求得该投影面积

$S=\frac{E}{4{\sin }^2\mathrm{\θ}}$

由于第一折射曲面1对应的出光口半径r已求得，根据光学扩展量守恒可求得从第三折射曲面2出射的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积

S₁＝S-πr²

为了保证所有经第一全反射曲面4和第二全反射曲面6全反射后的光线均能从第三折射曲面2出射，要求

π(x₁ ²-x₂ ²)＞S₁

其中，参数x₁为点G₁的横坐标，参数x₂为点G₂的横坐标。在选取点R₁时，应保证点R₁的横坐标满足上述关系式，并使点R₁位于直线EC下方，同时要保证接下来求得的曲线AT在点R₀处的法线与x轴正向的夹角在3rad左右。因为曲线AT在点R₀处的法线与x轴正向的夹角越大，曲线AT下降的趋势越大，曲线AT在x轴投影的长度将越短，投射器结构将越紧凑。当选定点R₁，根据光线R₀R₁的方向以及由边缘点S₁出射入射到点R₀光线的方向，可求得曲线AT在点R₀处的法线。当取定点R₁以及求得曲线AT在点R₀处的法线时，之后便可对第四折射曲面9和第一全反射曲面4进行设计。

第四折射曲面9和第一全反射曲面4对应的轮廓曲线设计原理参见附图5。为实现所有入射到曲线AT的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线FM，经全反射后再经线段EC折射成满足预定角度范围的光分布，要求：光线S₁R₀经折射后入射到曲线FM上的点R₁，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₁的出光；光线S₂R₀经折射后入射到曲线FM上的点R₃，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₁的出光；光线S₁R₂经折射后入射到曲线FM上的点R₁，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₂的出光。

根据上述要求可知：曲线段R₁R₃及曲线段R₀R₂均为笛卡尔卵圆。根据由边缘点S₁出射的光线经曲线段R₀R₂折射后相交于点R₁可求得曲线段R₀R₂上的点及曲线段R₀R₂在所求点处的法线，根据过R₀的光线经曲线段R₁R₃全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁可求得曲线段R₁R₃上的点及曲线段R₁R₃在所求点处的法线；曲线段R₀R₂和曲线段R₁R₃范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取。

由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₂的光线，经曲线AT折射对应折射光线R₂R₅，光线R₂R₅经曲线FM全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁。由于曲线段R₀R₂在点R₂处的法线已求得，根据由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₂的光线的方向即可求得光线R₂R₅的方向。之后把直线R₂R₅与曲线FM在点R₃处的切线的交点作为点R₅，再根据光线R₂R₅的方向以及光线R₂R₅对应的反射光线的方向可求得曲线FM在点R₅处的法线。由边缘点S₁出射入射到曲线AT上点R₄的光线，经曲线AT折射对应折射光线R₄R₅，光线R₄R₅经曲线FM全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₂。由于曲线FM在点R₅处的法线已求得，根据光线R₄R₅对应的反射光线的方向可求得光线R₄R₅的方向。之后把直线R₄R₅与曲线AT在点R₂处的切线的交点作为点R₄，再根据光线R₄R₅的方向以及由边缘点S₁出射入射到曲线AT上点R₄的光线的方向可求得曲线AT在点R₄处的法线。由边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₄的光线，经曲线AT折射对应折射光线R₄R₇，光线R₄R₇经曲线FM全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁。由于曲线AT在点R₄处的法线已求得，根据边缘点S₂出射入射到曲线AT上点R₄的光线的方向即可求得光线R₄R₇的方向。之后把直线R₄R₇与曲线FM在点R₅处的切线的交点作为点R₇，再根据光线R₄R₇的方向以及光线R₄R₇对应的反射光线的方向可求得曲线FM在点R₇处的法线。

根据求解曲线AT上点R₄的过程和求解曲线FM上点R₅及点R₇的过程，可求得曲线AT和曲线FM除去笛卡尔卵圆所得的剩余曲线上的一些点。

在求解曲线AT时，为保证曲线AT下降趋势较大以及曲线AT在x轴投影长度较短，要求曲线AT在所有已求点处的法线与x轴正向均有较大的夹角(该夹角一般应大于1.9rad)。当曲线AT在已求点R_2n处的法线与x轴正向的夹角大于或等于1.9rad而在下一点处的法线与x轴正向的夹角小于1.9rad时，此时应结束上述求解过程。为实现所有入射到曲线AT的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线FM，经全反射后再经线段EC折射成满足预定角度范围的光分布，在曲线AT和曲线FM末端应分别有一段笛卡尔卵圆，即要求：光线S₂R_2n经折射后入射到曲线FM上的点R_2n+3，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₂的出光；光线S₂R_2n+2经折射后入射到曲线FM上的点R_2n+3，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₁的出光。

根据上述要求可知：曲线段R_2n+1R_2n+3及曲线段R_2nR_2n+2均为笛卡尔卵圆。根据由边缘点S₂出射的光线经曲线段R_2nR_2n+2折射后相交于点R_2n+3可求得曲线段R_2nR_2n+2上的点及曲线段R_2nR_2n+2在所求点处的法线，根据过点R_2n的光线经曲线段R_2n+1R_2n+3全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₂可求得曲线段R_2n+1R_2n+3上的点及曲线段R_2n+1R_2n+3在所求点处的法线；曲线段R_2nR_2n+2和曲线段R_2n+1R_2n+3范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取。

在轮廓曲线AT上各点处的法线与x轴夹角小于

之前，廓曲线AT未与x轴相交。分别拟合曲线AT和曲线FM上的已求点得轮廓曲线AT和轮廓曲线FM。

按此设计过程得到的曲线除端点之外，其余每个点仅有两条边缘光线通过，并且所有入射到曲线AT的大功率LED出光经曲线FM全反射，再经线段EC折射后均分布在光轴两侧角θ的范围内。之后，曲线AT和曲线FM绕光轴旋转一周，得到第四折射曲面9和第一全反射曲面4。

线段EC的端点E的横坐标可取为点R₁的横坐标，然后根据线段EC的方程可确定端点E，最后将线段EC绕光轴旋转一周，得到第三折射曲面2。

二维下，第二全反射曲面6对应的轮廓曲线为曲线NQ，第五折射曲面8对应的轮廓曲线为曲线TV，参见附图9。入射到第五折射曲面8的大功率LED的大角度内出光，经折射后全部入射到第二全反射曲面6，经全反射后再经第三折射曲面2折射成满足预定角度范围的光分布。设计的初始条件：起始点H₀及点H₁。

曲线AT的端点T即为起始点H₀，点H₁的确定参见附图8。由边缘点S₁出射入射到点H₀的光线，经折射入射到点H₁，经全反射后再经折射成光线6。与光线6对应的是光线5，光线5和光线6延长线相交于点G₃。假设由边缘点S₁出射入射到点F₁的光线经全反射入射到线段EC的端点C，后经折射成光线8。与光线8对应的是光线7，光线7和光线8延长线相交于点G₄。

为了保证所有经第五折射曲面8折射的光线经第二全反射曲面6全反射后能从第三折射曲面2出射，要求

π(x₃ ²-x₄ ²)＞S-S_CD-S_FM

其中，参数x₃为点G₃的横坐标，参数x₄为点G₄的横坐标，参数S为从投射器出光口出射波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积，参数S_CD为经第二折射曲面10和第一折射曲面1折射成的波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积，参数S_FM为先经第四折射曲面9折射，后经第一全反射曲面4全反射，再经第三折射曲面2折射成的波前分别为W₁和W₂的所有光线组的交点在垂直于光轴平面内形成的投影的面积。在选取点H₁时，应使点H₁的横坐标满足上述关系式，并且点H₁的横坐标应大于或者等于点M的横坐标(便于在注塑成型时开模)。此外，应使点H₁位于曲线FM下方，同时要保证接下来求得的曲线TV在点H₀处的法线与x轴正向的夹角在3rad左右。因为曲线TV在点H₀处的法线与x轴正向的夹角越大，曲线TV下降的趋势越大，曲线TV在x轴投影的长度将越短，投射器结构将越紧凑。当选定点H₁时，根据光线H₀H₁的方向以及由边缘点S₁出射入射到点H₀光线的方向，可确定曲线TV在点H₀处的法线。

当取定点H₁以及求得曲线TV在点H₀处的法线时，之后便可对第五折射曲面8和第二全反射曲面6进行设计。

第五折射曲面8和第二全反射曲面6对应的轮廓曲线设计原理参见附图9、附图10、附图11。为实现所有入射到曲线TV的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线NQ，经全反射后再经线段EC折射成满足预定角度范围的光分布，要求：光线S₁H₀经折射后入射到曲线NQ上的点H₁，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₁的出光；光线S₂H₀经折射后入射到曲线NQ上的点H₃，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₁的出光；光线S₁H₂经折射后入射到曲线NQ上的点R₁，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₂的出光。

根据上述要求可知：曲线段H₁H₃及曲线段H₀H₂均为笛卡尔卵圆。根据由边缘点S₁出射的光线经曲线段H₀H₂折射后相交于点H₁可求得曲线段H₀H₂上的点及曲线段H₀H₂在所求点处的法线，根据过H₀的光线经曲线段H₁H₃全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁可求得曲线段H₁H₃上的点及曲线段H₁H₃在所求点处的法线；曲线段H₀H₂和曲线段H₁H₃范围很小，待求点的数量在十个至二十个之间选取。

由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₂的光线，经曲线TV折射对应折射光线H₂H₅，光线H₂H₅经曲线NQ全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁。由于曲线段H₀H₂在点H₂处的法线已求得，根据由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₂的光线的方向即可求得光线H₂H₅的方向。之后把直线H₂H₅与曲线NQ在点H₃处的切线的交点作为点H₅，再根据光线H₂H₅的方向以及光线H₂H₅对应的反射光线的方向可求得曲线NQ在点H₅处的法线。由边缘点S₁出射入射到曲线TV上点H₄的光线，经曲线TV折射对应折射光线H₄H₅，光线H₄H₅经曲线NQ全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₂。由于曲线NQ在点H₅处的法线已求得，根据光线H₄H₅对应的反射光线的方向可求得光线H₄H₅的方向。之后利把直线H₄H₅与曲线TV在点H₂处的切线的交点作为点H₄，再根据光线H₄H₅的方向以及由边缘点S₁出射入射到曲线TV上点H₄的光线的方向可求得曲线TV在点H₄处的法线。由边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₄的光线，经曲线TV折射对应折射光线H₄H₇，光线H₄H₇经曲线NQ全反射后再经线段EC折射出光对应波前W₁。由于曲线TV在点H₄处的法线已求得，根据边缘点S₂出射入射到曲线TV上点H₄的光线的方向即可求得光线H₄H₇的方向。之后把直线H₄H₇与曲线NQ在点H₅处的切线的交点作为点H₇，再根据光线H₄H₇的方向以及光线H₄H₇对应的反射光线的方向可求得曲线NQ在点H₇处的法线。

根据求解曲线TV上点H₄的过程和求解曲线NQ上点H₅及点H₇的过程，可求得曲线TV和曲线NQ除去笛卡尔卵圆所得的剩余曲线上的一些点。

由于曲线AT端点T的纵坐标很小，而且曲线TV在点H₀处的法线与x轴正向交角很大，因此在曲线TV上各点处的法线与x轴正向的夹角小于1.9rad之前，曲线TV将与x轴相交于点V。

为实现所有入射到曲线TV的大功率LED出光经折射后全部入射到曲线NQ，经全反射后再经线段EC折射成满足预定角度范围的光分布，要求：光线S₂H_2n经折射后入射到曲线NQ上的点H_2n+1，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₂的出光；光线S₂H_2n+2经折射后入射到曲线NQ上的点H_2n+1，经全反射后再经线段EC折射成波前为W₁的出光。

根据上述要求可知：曲线段H_2nH_2n+2为笛卡尔卵圆。根据由边缘点S₂出射的光线经曲线段H_2nH_2n+2折射后相交于点R_2n+3可求得曲线段H_2nH_2n+2上的点及曲线段H_2nH_2n+2在所求点处的法线。

分别拟合曲线NQ上及曲线TV上已求的点，得轮廓曲线NQ以及轮廓曲线TV。按此设计过程得到的曲线除端点之外，其余每个点仅有两条边缘光线通过，并且所有入射到曲线TV的大功率LED出光经曲线NQ全反射，再经线段EC折射后均分布在光轴两侧角θ的范围内。之后，曲线NQ和曲线TV绕光轴旋转一周，得到第二全反射曲面6和第五折射曲面8。

至此已完成对第一折射曲面1、第二折射曲面10、第三折射曲面2、第四折射曲面9、第五折射曲面8、第一全反射曲面4和第二全反射曲面6的设计，最后用第二连接曲面5连接第一全反射曲面4和第二全反射曲面6，用第一连接平面7连接第二全反射曲面6和第五折射曲面8，最终得到本发明LED定向投射器。为便于加工，第二连接曲面5取为圆锥面。

本发明LED定向投射器结构示意图见附图1。根据UG中本发明LED定向投射器的模型，利用数控机床加工生产LED定向投射器所用的模具，最后通过注塑成型得到本发明LED定向投射器。

本发明LED定向投射器所用的材料可为一些常用的光学塑料，如：聚甲基丙烯甲酯PMMA、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、苯乙烯-丁二烯-丙烯酯ABS、烯丙基二甘碳酸酯CR39、苯乙烯-丙烯腈共聚物AS。

Claims (5)

1.一种LED定向投射器，包括对大功率LED小角度内出光作用的部分和对大功率LED大角度内出光作用的部分，其特征在于：

a.所述对大功率LED小角度内出光作用的部分由第一折射曲面(1)和第二折射曲面(10)组成；所述的第一折射曲面(1)位于出光口处、向外凸起并与光轴相交，所述的第二折射曲面(10)与第一折射曲面(1)相对、位于第一折射曲面(1)下方且与光轴相交；

b.所述对大功率LED大角度内出光作用的部分由第一全反射曲面(4)、第三折射曲面(2)及第四折射曲面(9)组成；所述的第一全反射曲面(4)位于投射器外侧面，所述的第三折射曲面(2)与第一折射曲面(1)相连且位于出光口处，所述的第四折射曲面(9)与第二折射曲面(10)相连且位于第二折射曲面(10)下方；

c.有一个位于定向投射器外侧面的第一连接曲面(3)连接第三折射曲面(2)和第一全反射曲面(4)；有一个第五折射曲面(8)与第四折射曲面(9)相连且位于第四折射曲面(9)下方；有一个第二全反射曲面(6)位于投射器外侧面且位于第一全反射曲面(4)的下方；有一个位于投射器外侧面的第二连接曲面(5)连接第一全反射曲面(4)和第二全反射曲面(6)；

d.有一个位于定向投射器底部的第一连接平面(7)连接第五折射曲面(8)和第二全反射曲面(6)；

e.所述的第二折射曲面(10)、第四折射曲面(9)和第五折射曲面(8)组成一个内凹的空腔，该空腔用于放置光源大功率LED。

2.根据权利要求1所述的LED定向投射器，其特征在于投射器所用的材料为聚甲基丙烯甲酯PMMA、或苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物、或聚碳酸酯PC、或聚苯乙烯PS、或苯乙烯-丁二烯-丙烯酯ABS、或烯丙基二甘碳酸酯CR39、或苯乙烯-丙烯腈共聚物AS。

3.根据权利要求1所述的LED定向投射器，其特征在于所述第一折射曲面(1)由第一折射曲面(1)对应的轮廓曲线CD绕光轴旋转一周得到；第二折射曲面(10)由第二折射曲面(10)对应的轮廓曲线AB绕光轴旋轴一周得到。

4.根据权利要求1所述的LED定向投射器，其特征在于所述第四折射曲面(9)由第四折射曲面(9)对应的轮廓曲线AT绕光轴旋转一周得到；第一全反射曲面(4)由第一全反射曲面(4)对应的轮廓曲线FM绕光轴旋轴一周得到。

5.根据权利要求1所述的LED定向投射器，其特征在于所述第五折射曲面(8)由第五折射曲面(8)对应的轮廓曲线TV绕光轴旋转一周得到；第二全反射曲面(6)由第二全反射曲面(6)对应的轮廓曲线NQ绕光轴旋轴一周得到。

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