CN102788281A - 一种用于led照明的二次光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED照明的二次光学元件，所述二次光学元件为微衍射光学元件。本发明采用微衍射光学元件作为LED照明的发光单元，能够提高需照明表面的光强均匀性，提高照明的亮度，还可以抑制某些角度的发光强度，从而消除眩光效果，且微衍射光学元件本身体积小，容易制造，对加工误差的容忍度大使整个LED灯源结构的体积较小。

Description

一种用于LED照明的二次光学元件

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体的说是涉及一种用于LED照明的二次光学元件。

背景技术

目前，大部分路灯和台灯等光源都采用高压钠灯，金属卤化物灯，高压水银灯，低压钠灯，荧光灯，白炽灯等。这些灯大部分含有对环境有害的汞，还有功耗大，效率较低，寿命也较短等缺点。

和上述灯源相比，先进的发光二极管(LED)芯片光源有很多优点，如环境友好，效率和可靠性高，维护要求低，功耗低，寿命长等。但是，LED芯片的远场模式限制了它在各种照明中的应用，LED的发光强度分布的特点是随发光角度而迅速衰减。对于大多数的照明应用，一般采用二次光学元件(secondary optical element)来调节光强的分布。

在照明中使用二次光学元件上有两个重要目的，其一是在需照明表面产生足够而均匀的照明；第二是抑制某些角度的发光强度，从而消除眩光效果。常见的二次光学元件如非球面透镜，杨毅博提出的菲涅尔透镜等。非球面透镜有几个缺点：一是非球面透镜的制造成本较昂贵；二是对于焦数较小的透镜，非球面透镜体积大，制造容差很小。菲涅尔光学透镜设计自由度较少，照明的均匀度不好，防眩目能力较差。

发明内容

本发明针对上述技术存在的不足之处，提供了一种能够提高需照明表面的光强均匀性，提高照明的亮度，还可以抑制某些角度的发光强度，从而消除眩光效果，且体积小，容易制造，对加工误差的容忍度大的用于LED照明的二次光学元件。

为了实现上述目的，本发明公开了一种用于LED照明的二次光学元件。其包括LED和二次光学元件，该二次光学元件为微衍射光学元件。

在一些实施方式中，LED应用于台灯或者路灯或者光刻机。

在一些实施方式中，微衍射光学元件与LED之间的垂直距离z_in介于l毫米至60毫米之间，微衍射光学元件与被照明区域之间的距离z₂介于200毫米至600毫米之间。

在一些实施方式中，被照明区域的边长D设于30毫米至1000毫米之间。

在一些实施方式中，微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ介于40到90度之间。

本发明中用于LED照明的二次光学元件采用微衍射光学元件，该微衍射光学元件依靠光的衍射来控制光的方向，能够提高需照明表面的光强均匀性，提高照明的亮度，还可以抑制某些角度的发光强度，从而减小或消除眩光效果，且体积小，容易制造，对加工误差的容忍度大，适合作为台灯、路灯、光刻机和光伏太阳能电池等的照明光源。

附图说明

图1是本发明一实施方式微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ为90度时的结构示意图；

图2是微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ为任意角度时的结构示意图；

图3是微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ为40度时的实际照明区域示意图；

图4是微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ为40度时的以傅里叶变换算法得到的照明区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种用于LED照明的二次光学元件，其包括LEDl和二次光学元件，该二次光学元件为微衍射光学元件2。微衍射光学元件2依靠光的衍射来控制光的方向，能够提高需照明表面的光强均匀性，提高照明的亮度，还可以抑制某些角度的发光强度，从而消除眩光效果，且体积小，容易制造，对加工误差的容忍度大。

在本发明的具体实施方式中，LEDl应用于台灯或者路灯或者光刻机。微衍射光学元件2与LEDl之间的垂直距离z_in介于1毫米至60毫米之间，微衍射光学元件与被照明区域之间的距离z₂介于200毫米至600毫米之间。被照明区域的边长D设于30毫米至1000毫米之间。微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ介于40到90度之间。

图1和图3是θ为90度，z_in为2毫米，z₂为400毫米时照明的模拟结果。

图2和图4是θ为40度，z_in为5毫米，z₂为500毫米时照明的模拟结果。

微衍射光学元件用于LED照明的结构参数主要包括：微衍射光学元件的尺寸d_DOE，微衍射光学元件与LED之间的垂直距离z_in，微衍射光学元件与被照明区域之间的距离z₂。微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ。被照明区域的形状可以是圆形、矩形或者其他形状。这些结构参数根据应用不同而不同。

一般来说，LED发出的光是空间非相干的，而迭代傅立叶变换算法并不适合设计用于空间非相干光的衍射元件。考虑到迭代傅立叶变换算法是最节省设计时间的算法，为使用迭代傅立叶变换算法，本发明专利把LED光源简化为一个空间相干的点光源。如果照明光源只有一个LED，可以简单地把LED光源对应的几何图形的几何中心作为点光源，也可以把LED光源对应的几何图形根据光源各点发出的光场振幅或功率加权计算出几何中心作为点光源。如果照明光源有多个LED，可以把LED各个光源的组成的几何图形的几何中心作为点光源，也可以把根据LED各个光源的振幅或功率加权计算出的几何中心作为点光源。设计中使用的点光源的位置对最后的照明区域的光强分布影响较小。

一般来说，我们需要的照明区域3是均匀的。如果使用迭代傅立叶变换算法，我们可以先将照明区域的均匀光强转换成迭代傅立叶变换算法中输出的傅立叶平面(4)的光强和振幅，再以此振幅分布作为目标振幅分布计算衍射元件的相位分布。如果θ等于90度，则照明区域就是迭代傅立叶变换算法中输出的傅立叶平面。如果θ不等于90度，则迭代傅立叶变换算法中输出的傅立叶平面上的光强分布需根据照明区域及其光强进行尺寸和光强变换。以照明区域的光强为均匀分布，θ等于40度为例，图3显示了最后的均匀照明区域，图4显示了对最后的均匀照明区域进行尺寸和强度变换之后用于迭代傅立叶变换的目标光强分布。尺寸和光强变换的算法如下：

如图2所示，迭代傅里叶变换算法中的工作距离和实际的照明距离相等，因此无需进行变换。相应地，图3中正方形白色照明区域的最左侧和图4中梯形白色照明区域的最左侧的照明长度相等。从点A向左，越向左，迭代傅里叶变换算法中的工作距离越小于实际的照明距离。由于实际照明距离变长，实际照明长度要长于傅立叶平面的照明长度，相应地，图4中越往左，梯形白色照明区域的照明长度越短，同时，照明光强越强。

将LED光源简化为点光源后，就可以使用迭代傅立叶变换算法来设计衍射元件。它的设计过程包括循环执行以下4个步骤：

步骤1：对当前的输入光场进行傅立叶变换；

步骤2：用均匀振幅(如果照明目的不是均匀照明，则使用其他要求的振幅分布)替代步骤1傅立叶变换的结果的振幅；

步骤3：对步骤2的结果进行逆傅里叶变换；

步骤4：用已知的输入光场的振幅替代步骤3的逆傅里叶变换结果的振幅，得到用于下一次迭代的新的输入光场。

当上述迭代过程满足停止条件时，停止迭代，用当前步骤3得到的相位减去入射光场(指紧靠相位调制器件前端的入射光场)的相位，即可得到为产生目标图像相位调制器件所需的相位。如果入射光束为准直的平行光束，则入射光场相位通常可近似为常数，此时相位调制器件相位即为当前步骤3中的相位然后进入目标图像产生步骤。

如果需要更精确地控制照明区域的光强和亮度分布，则不能将LED简化为点光源，而需要考虑LED光源的大小，即LED发出的光是空间非相干的，需照明的区域的光强分布是LED各个点发出的光在需照明的区域产生的光的光强之和。此时可采用模拟退火算法，直接二元搜索算法，遗传算法等多种算法来设计微衍射光学元件的相位Φ_DOE。假定LED发出光近似为朗伯型的，则光源上各点在紧靠衍射元件前的产生光场分布为

$U_{2\_\mathrm{ind}}(x,y,z_{\mathrm{in}})=D\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\frac{\exp \left(\mathrm{jkR}\right)\sqrt{\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)}}{R}---\left(1\right)$

式中D为常数，R是光源某处到DOE某处(x，y)之间的距离，z_in为LED到微衍射元件之间的垂直距离，则

$\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)=\frac{z_{\mathrm{in}}}{R}=\frac{z_{\mathrm{in}}}{z_{\mathrm{in}}\sqrt{1+{\left(\frac{x-\mathrm{\α}}{z_{\mathrm{in}}}\right)}^2+{\left(\frac{y-\mathrm{\β}}{z_{\mathrm{in}}}\right)}^2}}---\left(2\right)$

式中(α，β)为LED某处的位置坐标。根据实际情况，我们也可以把LED发出的光近似为不是朗伯型的，而是半球形的，这样，公式(1)变成

$U_{2\_\mathrm{ind}}(y,z_{\mathrm{in}})=D\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\frac{\exp \left(\mathrm{jkR}\right)}{R}---\left(3\right)$

这种变化对最后设计出的微衍射光学元件的效果影响很小。微衍射光学元件在平面4产生的光强分布为

式中P_zout{}表示光波传播距离z_out，其中z_out为傅立叶变换算法中的工作距离，ΦDOE为需要设计的衍射光学元件的相位。本专业的技术人员可以容易根据(1)(2)(3)和(4)，使用模拟退火算法，直接二元搜索算法或遗传法等设计衍射光学元件的相位。

本发明体积小，能够提高照明的亮度，还可以抑制某些角度的发光强度，从而消除眩光效果，适合作为台灯、路灯、光刻机和光伏太阳能电池等LED照明的二次光学元件。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造构思的前提下，还可以做出其它变形或改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于LED照明的二次光学元件，包括LED和二次光学元件，其特征在于，所述二次光学元件为微衍射光学元件。

2.根据权利要求1所述的用于LED照明的二次光学元件，其特征在于，所述LED应用于台灯或者路灯或者光刻机。

3.根据权利要求2所述的用于LED照明的二次光学元件，其特征在于，所述微衍射光学元件与LED之间的垂直距离z_in介于1毫米至60毫米之间，微衍射光学元件与被照明区域之间的距离z₂介于200毫米至600毫米之间。

4.根据权利要求3所述的用于LED照明的二次光学元件，其特征在于，被照明区域的边长D设于30毫米至1000毫米之间。

5.根据权利要求3所述的用于LED照明的二次光学元件，其特征在于，所述微衍射光学元件的法线与被照明区域之间的夹角θ介于40到90度之间。

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