CN103148386B - Led的二次光源 - Google Patents

Abstract

一种LED的二次光源，由LED一次光源通过有序排布的透镜组而产生，实现空间角光聚集和调制射光场，能最大地收集光能量、达到最高的光能收集率与光能传递，使光场透镜的射光效果明显，光场的照度清澈，光程理想。所述的LED一次光源通过电路装置板与电源驱动电路导通，在LED一次光源下方设有用于冷却的液相介质储存部，所述的透镜组、LED一次光源和液相介质储存部自上而下依序设在耦合器组装筒内；透镜组由环绕LED一次光源处的反射杯、设在反射杯上方有射光透镜、碗状的抛物光反射镜和光场透镜组成，碗状的抛物光反射镜一端固定在反射杯上方，与射光透镜相连，另一端与光场透镜共同固定于光场透镜托架和光场透镜定位压圈之间。

Description

LED的二次光源

技术领域

本发明涉及一种LED二次光学的射光场耦合器，属电子应用领域，尤其涉及LED的光学调制与空间角光集及射光场耦合器产生的二次光源。

背景技术

LED灯在节能减排中的巨大作用，使LED产业增长迅猛，光源寿命在70000至100000小时。由于LED光源属于一次光源，而且是直接式射光，使光的射程短、光照效果暗淡，当人眼直观LED发光点时，异常耀光刺眼，这种被称之为光效、眩光现象，阻碍了对LED的应用效果。

2007年初，LED业界发明一种以半导体发光二极管芯片构建的光源，其构成与机理彻底改变了照明灯泡发光现状。这种外型如同白炽灯炮，灯泡内的LED发光光源以微电子特征的特定工艺创造的三维集成半导体芯片光源体与集成光聚构成，以及为LED的高热特性设计创造的液相介质热导、散热的技术。现有LED灯包括LED日光灯和球泡灯，属于一次光源技术。业界舆论普遍认为2011年是半导体照明的分水岭；全球照明行业从此全面步入LED时代已成必然。

LED照明的发展应用与不断创新，从LED照明的半导体发光二极管阵列式的一次光源起步，至今仍处于直接式的一次光源照明，因此，为达到更有效、更科学地利用有限的LED光能量，需要提供新的技术创新。

LED照明系统存在的光效、眩光等应用缺陷以及光能利用率与光能应用分配技术是LED未来技术研发与前沿技术开发的关键与技术方向。

使照明业界逐渐认识到对半导体发光源的有限光能收集、利用应充分考虑半导体的特征。

发明内容

为解决上述的LED光效与眩光现象，本发明的目的在于：提供一种LED的二次光源，以提高LED光能利用率，并避免眩光，从有限光能量传递，到利用光学扩展量，求得大的几何收光率和高的光能利用率。

为达发明目的，本发明提供下述技术方案：一种LED的二次光源，LED一次光源通过有序排布的透镜组产生二次光源，实现空间角光聚集和调制射光场，所述的LED一次光源通过电路装置板与电源驱动电路导通，其中，在LED一次光源下方设有用于冷却的液相介质储存部，所述的透镜组、LED一次光源和液相介质储存部自上而下依序设在光学耦合器载体组装筒内，其中，

所述光学耦合器载体组装筒底部设有安装定位孔，上方设有光源电路板定位压架；

所述的透镜组由环绕LED一次光源处的反射杯、设在反射杯上方有射光透镜、碗状的抛物光反射镜和光场透镜组成，所述的碗状的抛物光反射镜一端固定在反射杯上方，与射光透镜相连，另一端与光场透镜共同固定于光场透镜托架和光场透镜定位压圈之间；

所述液相介质储存部为一与所述耦合器组装筒一体成型的上部开口且底部有液相介质灌注入口的液相介质室，液相散热介质自液相介质灌注入口灌入液相介质室；

所述的LED一次光源包括LED发光源芯片被反射杯环绕，LED发光源芯片与其底部设置的电路装置板连接，电路装置板设在液相介质室的开口上方，固定在光学耦合器载体组装筒上。

在所述电路装置板上固定LED发光源芯片，LED发光源芯片与其底部设置的电路装置板连接，所述LED发光源芯片被反射杯环绕；碗状抛物光反射镜一端与光场透镜一同固定于光场透镜托架和光场透镜定位压圈之间，另一端与射光透镜相连，固定于反射杯上方，所述的射光透镜的射光光束由所述抛物光反射镜作最强光向光场透镜反射，抛物光反射镜的作用是调制光的射程和光通量。本发明提供了一种LED发光源与二次光学调制的空间角光集与矢量沟通的新一代LED的控光技术，针对直接式的LED的一次发光源的不足，通过二次光学调制设计，使收光率达到95%以上，达到最大光通量的高利用率，使光的射程增加。

在上述方案基础上，所述的耦合器组装筒上，近抛物光反射镜处设有散热孔。

在上述方案基础上，所述的液相介质室的开口上方有光源电路板托架，所述电路装置板固定在光源电路板托架处。

在上述方案基础上，所述的液相介质室的底部，与液相介质灌注入口相邻固定一个电子制冷适配器。其中，注入口可以是一小孔，液相散热介质即通过液相介质灌注入口灌入液相介质室；在所述液相介质灌注入口旁设有卡位，用于定位电子制冷适配器。综合所述电子制冷适配器、液相散热介质、液相介质室的制冷与液相散热特征的控温技术，是为实现一次光源与二次光学耦合照明灯的应用目的而提供的LED高散热技术，特别是电子制冷适配器适用于大功率型的强光照明。

为提高散热效果，所述的电路装置板为铝复合电路装置板。

为使光场透镜的出光提升被照明物的层次感和防眩目功能，在上述方案基础上，所述光场透镜上设有滤光反射薄膜和位于光场透镜中间设有射光透镜构体，光场透镜中心主光即从所述射光透镜构体中射出，成光度最强的扩展光。

在上述方案基础上，所述的射光透镜设在反射杯与LED发光源芯片上方的抛物光反射镜入光口处。

为使光场透镜射光成日光色，在所述LED发光源芯片定位并出光后，在其上堆涂设定光谱的荧光剂层，至出射光成日光色。

在上述方案基础上，所述LED发光源芯片与反射杯可通过焊接线连接。

所述电路装置板的连接线正级和负极与电源驱动器相对应的正极与负极导通时，LED发光芯片出射直射光为主光的发光特征还涉及反射杯反射的同向反射光。以上所述光源，概称为一次光源。

二次光学的射光透镜设在反射杯与LED发光芯片正前方的抛物光反射镜入光口的相对位置，一次光源由射光透镜射光。其相对位置是根据发光源出光后与LED光能射入抛物光反射镜的几何收光率的测定得知的，即：收光角越大，几何收光率也越大，抛物光反射镜的光能利用率越高。设LED为点光源，当该光源的光能射入射光透镜下部的光集镜面（又称：入光镜面），所形成的光束继续向射光透镜的出光镜面出光到达抛物光反射镜面时，从抛物光反射镜的光扩展量的光参数（光通量与光效率）的实际测定可看出，当抛物光反射镜的光能利用率最大时，此时的LED点光源到射光透镜光集镜面的垂直距离为最佳焦距，针对应用需要，可对该焦距进行调整。上述光学光源概称二次光源。

本发明所使用的原理为：

所述的抛物光反射镜的光能利用率η为抛物光反射镜的出射后的光通量与光源总光通量之比。设LED光源发光面法线方向为光强最大，为                                                ，则其总光通量为：

由抛物光反射镜出射的光通量为：

则抛物反射器的光能利用率η为：

由（3）式可知被反射的光能利用率不仅与收光角ε有关，还与光源相对应的反射角度γ有关。

上述（2）、（3）式中，如图2，β1为∠HOG，β2为∠AOF；抛物反射镜的收光角为ε，LED光源发光面法线相对垂直的旋转角为γ（即∠BOA=γ）时，被反射杯反射的立体角求解示意图，可以看到上部和右侧都有一部分光。

本发明的优越性在于：所述的抛物光反射镜的出射光与相对应的光场透镜的耦合LED出光后的空间光强分布发生了改变，并能最大地收集光能量、达到最高的光能收集率与光能传递，使光场透镜的射光效果明显，光场的照度清澈，光程理想。利用光的扩展量达到最大的光射程与光通量，用滤光反射薄膜改变人眼对LED直射光源的眩光，使射光柔和，从而避免了眩光，增加人们的视觉舒适感。由于LED芯片的色温多为日光色，也可以有红、蓝、绿等光源经过本发明，并通过电脑调制后，投在墙面上可产生多彩的画面或景观。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为LED光源相对垂轴旋转γ后被反射杯反射的立体角求解示意图；

图3为本发明耦合器组装筒俯视图；

附图中标号说明：

01——LED发光源芯片；     02——反射杯；

03——光源电路装置板；         

04——射光透镜；

041——光集镜面；          042——出光镜面；

05——抛物光反射镜；       06——光场透镜；

07——电子制冷适配器；     08——液相散热介质；

09——液相介质室；         10——光学耦合器载体组装筒；

11——液相介质灌注入口；   12——安装定位孔；

13——滤光反射薄膜；       14——光源电路板定位压架；

15——光源电路板托架；     16——密封圈；

17——射光透镜构体；       18——制冷适配孔；

19——光场透镜托架；       20——光场透镜定位压圈；

21——散热孔。

具体实施方式

请参阅附图，对本发明进行进一步说明。

如图1本发明结构示意图所示，一种LED的二次光源，LED一次光源通过有序排布的透镜组产生二次光源，实现空间角光聚集和调节射光场，所述的LED一次光源通过光源电路装置板03与电源驱动电路导通，在电路装置板上固定有LED发光源芯片01，其中，在LED一次光源下方设有用于冷却的液相介质储存部，所述的透镜组、LED一次光源和液相介质储存部自上而下依序设在光学耦合器载体组装筒10内。

所述光学耦合器载体组装筒10底部设有安装定位孔12，上方设有光源电路板定位压架14。

所述的透镜组由环绕LED一次光源处的反射杯02、设在反射杯02上方有射光透镜04、碗状的抛物光反射镜05和光场透镜06组成，所述的碗状的抛物光反射镜05一端固定在反射杯02上方，与射光透镜05相连，另一端与光场透镜06共同固定于光场透镜托架19和光场透镜定位压圈20之间。

所述液相介质储存部为一与所述光学耦合器载体组装筒10一体成型。

所述液相介质储存室开口侧设有组装筒凸出部分，即光源电路板托架15和光源电路板定位压架14，用于固定光源电路装置板03，为防止液相介质渗漏及牢固固定光源电路装置板03，在光源电路板托架15中，还嵌有密封圈16，本实施例中的光源电路装置板03为铝复合电路装置板。

同时所述开口侧设有液相介质室09；储存室的闭合侧上开有液相介质灌注入口11，为一小孔，液相散热介质即通过液相介质灌注入口11灌入液相介质室09；在所述液相介质灌注入口11旁开有卡位，所述卡位用于定位电子制冷适配器07；在液相散热介质08和电子制冷适配器07之间，有制冷适配孔18用于进行热交换；所述电子制冷适配器07、液相散热介质08、液相介质室09的制冷与液相散热特征的控温技术，是为实现一次光源与二次光学耦合照明灯的应用目的而提供的LED高散热技术，特别是电子制冷适配器07适用于大功率型的强光照明。

所述抛物光反射镜05近反射杯02处，还设有射光透镜04，如图1，射光透镜04同体下方的光集镜面041及同体上方的出光镜面042二次光学的光学增强光源，概称二次光源。

为使光场透镜的出光提升被照明物的层次感，在上述方案基础上，所述光场透镜06上设有滤光反射薄膜13，同时射光透镜构体17位于光场透镜06的镜面中部。

为了散热需要，在上述方案基础上，所述的耦合器组装筒10上，近抛物光反射镜05处设有散热孔21。

在上述方案基础上，所述LED发光源芯片01为半导体发光芯片，所述半导体发光芯片与反射杯02通过焊接线连接。

在上述方案基础上，所述铝复合电路装置板的连接线正极和负极与电源驱动器相对应的正极与负极导通时，LED发光芯片01出射直射光为主光的发光特征还涉及反射杯02反射的同向反射光。以上所述光源，概称一次光源。

在上述方案基础上，所述LED发光源芯片01定位并出光后，按实验比例，通过堆涂荧光剂方式，使出射光成日光色的自然光。

二次光学的射光透镜装置于反射杯02与LED发光芯片01前方的抛物光反射镜05入光口的相对位置，一次光源由射光透镜04的光集镜面041射入，由出光镜面042出光，在上述方案基础上，所述的射光透镜的射光光束由所述抛物光反射镜05形成最强光向光场透镜06出射。上述的光学增强光，概称二次光源或称二次光学光源。

如图3本发明耦合器组装筒10俯视图所示，在光学耦合器载体组装筒10的安装过程中，光源电路板定位压架14为一非连续的固定圆环，光源电路装置板03与光源电路板定位压架14相匹配。通过光源电路板定位压架14的空隙处，将光源电路装置板03压入后旋转90°，光源电路板定位压架14即可将光源电路装置板03卡牢。

在上述方案基础上，二次光学的射光透镜装置于反射杯与LED发光芯片前方的抛物光反射镜入光口的相对位置，一次光源由射光透镜射光，产生二次光学光源。所述的相对位置是根据发光源出光后二次光学增强光光能射入抛物光反射镜05的几何收光率的测定得知的，即：收光角越大，几何收光率也越大，抛物光反射镜的光能利用率越高。设LED一次光源为点光源，当该光源的光能射入射光透镜下部的光集镜面041（又称：入光镜面）所形成的光束继续向射光透镜的出光镜面时，从抛物光反射镜的光扩展量的光参数（光通量与光效率）的实际测定可看出，当抛物光反射镜的光能利用率最大时，此时的LED点光源到射光透镜光集镜面041的垂直距离为最佳焦距，针对应用需要，可对该焦距进行调整。

在上述方案基础上，所述的射光透镜的射光光束由所述抛物光反射镜作最强光向光场透镜反射。

本发明所使用的原理为：

所述的抛物光反射镜05的光能利用率η为抛物光反射镜05的出射后的光通量与光源总光通量之比。设LED光源发光面法线方向为光强最大，为，则其总光通量为：

由抛物光反射镜05出射的光通量为：

则抛物反射器的光能利用率η为：

由（3）式可知被反射的光能利用率不仅与收光角ε有关，还与光源相对应的反射角度γ有关。

（2）、（3）式中，如图2，β1为∠HOG，β2为∠AOF；抛物反射镜的收光角为ε，LED光源发光面法线相对垂直的旋转角为γ（即∠BOA=γ）时，被反射杯反射的立体角求解示意图，可以看到上部和右侧都有一部分光遗漏。

Claims (7)

1.一种LED的二次光源，LED一次光源通过有序排布的透镜组产生二次光源，实现空间角光聚集和调制射光场，所述的LED一次光源通过光源电路装置板（03）与电源驱动电路导通，其特征在于：在LED一次光源下方设有用于冷却的液相介质储存部，所述的透镜组、LED一次光源和液相介质储存部自上而下依序设在光学耦合器载体组装筒（10）内，其中，

所述光学耦合器载体组装筒（10）底部设有安装定位孔（12），上方设有光源电路板定位压架（14）；

所述的透镜组由环绕LED一次光源处的反射杯（02）、设在反射杯（02）上方有射光透镜（04）、碗状的抛物光反射镜（05）和光场透镜（06）组成，所述的碗状的抛物光反射镜（05）一端固定在反射杯（02）上方，与射光透镜（04）相连，另一端与光场透镜（06）共同固定于光场透镜托架（19）和光场透镜定位压圈（20）之间；

所述的液相介质储存部为一与所述光学耦合器载体组装筒（10）一体成型的上部开口且底部有液相介质灌注入口（11）的液相介质室（09），液相散热介质（08）自液相介质灌注入口（11）灌入液相介质室（09）；

所述的LED一次光源包括LED发光源芯片（01）被反射杯（02）环绕，LED发光源芯片（01）底部与其底部设置的电路装置板（03）电连接，电路装置板（03）设在液相介质室（09）的开口上方，固定在光学耦合器载体组装筒（10）上；

其中，所述的射光透镜（04）有光集镜面（041）和出光镜面（042），射光透镜的光集镜面（041）设在反射杯（02）与LED发光芯片（01）正前方的抛物光反射镜（05）入光口的相对位置，LED一次光源由射光透镜（04）的光集镜面（041）射入，由出光镜面（042）出光，产生的二次光学增强光的射光光束由抛物光反射镜（05）调制最强光向光场透镜（06）反射。

2.根据权利要求1所述的LED的二次光源，其特征在于：所述的光学耦合器载体组装筒（10）上，近抛物光反射镜（05）处设有散热孔（21）。

3.根据权利要求1所述的LED的二次光源，其特征在于：所述的液相介质室（09）的开口上方有光源电路板托架（15），所述电路装置板（03）固定在光源电路板托架（15）处。

4.根据权利要求1或3所述的LED的二次光源，其特征在于：所述的电路装置板（03）为铝复合电路装置板。

5.根据权利要求1所述的LED的二次光源，其特征在于：所述的液相介质室（09）底部，与液相介质灌注入口（11）相邻固定一个电子制冷适配器（07）。

6.根据权利要求1所述的LED的二次光源，其特征在于：所述的光场透镜（06）上设有滤光反射薄膜（13）和位于光场透镜中间的射光透镜构体（17）。

7.根据权利要求1所述的LED的二次光源，其特征在于：所述LED发光源芯片（01）定位并出光后，在其上堆涂荧光剂层，至出射光成日光色。