CN103471036B - 一种理论无损光效的led光全反射准直系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学技术领域,具体为一种理论无损光效的LED光全反射的准直系统。该准直系统由光源白光LED模组、改进的椭球面反射器、改进的第一抛物面反射器、改进的第二抛物面反射器组成;光源几何中心置于椭球面反射器的第一焦点处,第一抛物面反射器位于椭球面反射器上方,第二抛物面反射器位于改进的第一抛物面反射器的上方;由光源出射的一部分角内光束经过椭球面反射器会聚到其第二焦点处,再经第一抛物面反射器准直出射,光源出射的另一部分角内光束经过第二抛物面反射器准直出射,第一抛物面反射器和第二抛物面反射器的出射光束的主光轴平行,且同时平行于光源的主光线,形成理论无损效率的高效LED光全反射的准直系统。

Description

一种理论无损光效的LED光全反射准直系统
技术领域
本发明属于光学技术领域,具体涉及一种对LED光源的出射光线进行准直并且提供高光能利用效率的光学系统。
技术背景
目前市场上出现的LED光源多是近朗伯体发光的近似点光源或面光源,具有单面发光、发光半角大的特点。为了便于光学系统对LED光能的利用,一般需要对LED的出射光线进行预准直,而目前针对LED光源的光学准直系统主要可分为三大类结构:第一类利用光学透镜组对LED光源中心附近出射光线进行准直,而大角度光线散失;第二类是TIR(全内反射)透镜,利用计算得到的自由曲面透镜对中心光线两次折射进行准直,对边缘大角度出射的光线先通过透镜内的全内反射,再经过透镜表面的第二次折射进行准直;第三类结合了光学透镜和光学反射器,对大角度出射的光线利用反射器进行反射准直,对中心出射的光线利用透镜组透射准直。
现行针对LED光线的光学准直系统存在如下主要问题:1、对LED光源中心出射光线的准直离不开透镜,但是透镜对光能量的损耗一般高于反射器对光能的损耗,这就限制了此类光学准直系统效率提升的空间;2、由于LED发光半角大的特点,此类光学准直系统往往不能完全收集出射光线,使得一部分光线散失,导致了光能的损耗。
发明内容
针对上述缺陷,本发明的目的在于提供一种基于LED光源的理论无损光效的光全反射光学准直系统。
本发明提供的理论无损光效的LED光全反射光学准直系统,是使用单科或多颗高功率白光LED模组作为光源,通过改进的椭球面反射器,改进的第一抛物面反射器和改进的第二抛物面反射器实现光线理论100%效率的收集并对所有光线进行准直。
本发明提供的基于LED光源的理论无损光效的光全反射光学准直系统,包括:白光LED模组、改进的椭球面反射器、改进的第一抛物面反射器和改进的第二抛物面反射器;其中,所述白光LED模组几何中心位于改进的椭球面反射器的第一焦点处;所述改进的第一抛物面反射器位于改进的椭球面反射器左上方,且改进的第一抛物面反射器的焦点与改进的椭球面反射器的第二焦点重合;所述改进的第二抛物面反射器位于改进的第一抛物面反射器的上方,且改进的第二抛物面反射器的焦点与LED光源几何中心位置重合;由LED光源出射的一部分α角内光束经过改进的椭球面反射器会聚到其第二焦点处,再经改进的第一抛物面反射器准直出射,由LED光源出射的另一部分β角内光束经过改进的第二抛物面反射器准直出射,改进的第一抛物面反射器和改进的第二抛物面反射器的出射光束的主光轴平行,且同时平行于LED光源的主光线, 以保证经它们反射后的光线按同一水平方向准直出射。00<α<1800,00<β<1800,且α+β=1800。 
一般LED是朗伯辐射体分布的光源,经过LED发光面几何中心法线的子午面(纸面内)内的发光角度是180度,本发明的LED光源模组发出的光束,在其面内有一部分光先经过改进的椭球面反射器,光束会聚到改进的椭球面第二焦点处,由于改进的椭球面反射器第二焦点与改进的第一抛物面焦点重合,这部分光经过改进的第一抛物面准直出射,这个角度就是α角;另外一部分光束没有经过改进的椭球面反射器,由LED光源模组直接入射到改进的第二抛物面表面,由于LED光源模组的几何中心与第二抛物面焦点重合,这部分光就经过改进的第二抛物面准直出射,这个角度就是β角。
LED光源是一组模组光源,发光面积有一定的大小,如果其发光面积大小小于其光ED光源是一组模组光源,发光面积有一定的大小,如果其发光面积大小小于其光传播过程中反射面有效通光孔径的1/10,可以认为LED光源近似为点光源,这时的椭球面反射器的反射面就是标准的椭球面,第一抛物面反射器和第二抛物面反射器的反射面就是标准的抛物面;如果其发光面积大小大于其光传播过程中反射面有效通光孔径的1/10,LED光源就是一个扩展的光源,这时把扩展的LED光源认为是多个点光源组成的光源,LED光源只有位于焦点处的那部分光束才按照理想的光束传播,也就是从椭球面第一焦点的发出的光束经椭球面反射会聚到椭球面的第二焦点,从抛物面焦点处发出的光束经抛物面反射准直出射,组成扩展的LED光源的其它点光源由于处于离焦位置,对于从椭球面第一焦点附近的出射光束经椭球面反射就不会会聚到第二焦点处,对于从抛物面焦点附近的出射光束经抛物面反射就不会准直出射。
所以,对于扩展的LED光源,认为是多个点光源组成的光源,处于焦点以外的点光源经过椭球面反射时,把椭球面分成多个区域,按照光映射的原理,让入射到每个椭球面反射区域的光束,经过高次曲面的修正,会聚到椭球面的第二焦点处,把这些修正后的椭球面反射区域拟合为一个新的椭球面,这就是改进的椭球面;经过改进的椭球面反射器会聚到第二焦点处的光斑也不是绝对的点光源,是一个扩展光源,也可以认为是多个点光源组成的光源,由于改进的椭球面第二焦点几何中心与第一抛物面焦点重合,在该焦点以外的点光源经过第一抛物面反射时,把第一抛物面也分成多个区域,按照光映射的原理,让入射到每个第一抛物面反射区域的光束,经过高次曲面的修正后准直出射,把这些修正后的第一抛物面反射区域拟合为一个新的第一抛物面,这就是改进的第一抛物面;由于扩展的LED光源认为是多个点光源组成的光源,处于焦点以外的点光源经过第二抛物面反射时,把第二抛物面分成多个区域,按照光映射的原理,让入射到每个第二抛物面反射区域的光束,经过高次曲面的修正后准直出射,把这些修正后的第二抛物面反射区域拟合为一个新的第二抛物面,这就是改进的第二抛物面,
本发明中,所述的白光LED模组为单芯片或多芯片COB封装的白光LED,多芯片封装发光面尺寸为A×A或A×B,其中0.5mm≤A≤20mm,0.5mm≤B≤20mm,A≠B,发光面积对角线为系统最大通光口径的1/10或更小,白光LED光源模组的发光面法线垂直于改进的椭球面反射器长轴。
本发明中,所述的改进的椭球面反射器以靠近的长轴端点为起点的第一焦点的位置大于5mm,第二焦点的位置大于等于10mm,长轴方向长度与第二焦点的位置长度相当,内表面采用高反射率镜面镀膜,反射率达到95%以上。 
本发明中,所述的改进的第一抛物面反射器焦距与白光LED发光面大小相匹配,通光有效口径大于等于白光LED发光面对角线的10倍,反射器的长度与其焦距相当,对于单颗芯片封装的白光LED,通常焦距为5-30mm,反射器长度与焦点的位置长度相当,口径为10-60mm,或根据结构要求为较大;多芯片封装的白光LED较单芯片封装的白光LED的改进的第一抛物面反射器的结构稍大。
这里“相当”是“相等”的意思;
改进的椭球面反射器中,焦点的位置长度:以靠近光源所在位置(改进的椭球面第一焦点)的椭球面长轴端点为起点,到改进的椭球面第二焦点的距离,称为第二焦点的位置长度;
改进的第一抛物面反射器,“焦点的位置长度”,指的是抛物面顶点到抛物面焦点的距离,实际上也是抛物面的焦距,也可以称为为“焦距的大小”。
本发明中,所述的改进的第二抛物面反射器结构参数与改进的椭球面反射器和改进的第一抛物面反射器结构大小相匹配,焦距大于等于8mm,反射器长度大于等于15mm,通光有效口径大于40mm。
本发明中,所述的改进的椭球面反射器(2)是基于标准椭球面反射器设计而成,当LED光源近似看作点光源时,该反射器采用标准的椭球面结构,当LED光源为一拓展光源时,该反射器采用改进后的椭球面反射器(2)以保证白光LED模组(1)面光源出射的光线能够会聚到其第二焦点附近形成弥散斑较小的光斑。
本发明中,所述的改进的第一抛物面反射器(3)是基于标准的抛物面反射器设计而成,当改进的椭球面反射器(2)在其第二焦点处的弥散斑直径为系统最大通光口径的1/10或更小时,该反射器(3)采用标准的抛物面结构,当改进的椭球面反射器(2)在其第二焦点处的弥散斑直径大于系统最大通光口径的1/10时,该反射器采用改进的第一抛物面反射器(3)结构,以保证由白光LED模组(1)出射的一部分α角内光束经过改进的椭球面反射器(2)在其第二焦点处形成弥散斑的光斑做为改进的第一抛物面反射器(3)焦点处的近似点光源,再经其表面反射后准直出射。 
本发明中,所述的改进的第二抛物面反射器(4)是基于标准的抛物面反射器设计而成,在LED光源近似看作点光源时,采用标准的抛物面结构;在白光LED模组(1)光源为一扩展光源时,采用改进的第二抛物面反射器(4)结构,以保证由白光LED模组(1)光源出射的另一部分β角内光束经过改进的第二抛物面反射器(4)反射后准直出射。
本发明提出的理论无损光效的LED光全反射准直系统,理论上能够将LED光源发出的光束能量100%准直出射,仅仅有反射器的反射损失,而反射器的反射率可以做到95%以上或更高,系统又完全采用全反射器设计,没有任何透镜结构,所以准直的光学系统效率很高。
附图说明
图1是本发明所述光学系统结构的正视图。
图2是本发明所述光学系统结构的左视图。
图3是本发明LED光源在α角内出射的一部分光线经改进的椭球面反射器会聚,再经改进的第一抛物面反射器准直的光路图。
图4是本发明LED光源未经改进的椭球面反射器反射而直接出射的在β角内出射的另一部分光线经改进的第二抛物面反射器准直的光路图。
图5是本发明所述的LED光源准直光学系统结构的实例三维视图。
图6是本发明所述的LED光源准直光学系统结构的实例在5m远测试屏上形成的照度平面分布图。
图中标号:1.LED光源,2.改进的椭球面反射器,3. 改进的第一抛物面反射器,4.改进的第二抛物面反射器。 
具体实施方式
本发明提出的理论无损光效的LED光全反射的准直系统, 包括白光LED模组1、改进的椭球面反射器2、改进的第一抛物面反射器3、改进的第二抛物面反射器4组成,白光LED模组1几何中心置于改进的椭球面反射器2的第一焦点处,改进的第一抛物面反射器3位于改进的椭球面反射器2上方,且其焦点与改进的椭球面反射器2的第二焦点重合,改进的第二抛物面反射器4位于改进的第一抛物面反射器3的上方,且其焦点与白光LED模组1的几何中心位置重合,白光LED模组1发出的在α角内的一部分出射光束经过改进的椭球面反射器2会聚到其第二焦点处,由于改进的椭球面反射器1的第二焦点与改进的第一抛物面3的焦点重合,光束再经过改进的第一抛物面反射器3反射后水平准直出射,LED光源的另一部分在β角内出射的光束未经改进的椭球面反射器2的反射直接出射,由于改进的第二抛物面反射器的焦点与改进的椭球面第一焦点重合,这部分光束经改进的第二抛物面反射器4的反射后水平准直出射,又由于改进的第一抛物面反射器3和改进的第二抛物面反射器4的出射光束的主光轴平行,形成高效的LED光全反射的准直系统。
实施例:
如图1、图2、图3、图4、图5所示的,是本发明高效LED光全反射的准直系统的结构示意图;采用单芯片COB封装的白光LED模组1作为光源,驱动电压为3.3 V,电流为300.0 mA,改进的椭球面反射器2第一焦距5.0 mm,第二焦距30.0 mm,长度为30.0 mm,改进的第一抛物面反射器3焦距为18.0 mm,长度为18.0 mm,改进的第二抛物面反射器4焦距为30.8 mm,长度为62.0 mm。图5是本发明所述的LED光源准直光学系统结构的实例三维视图;图6是本发明所述的LED光源准直光学系统结构的实例在5m远测试屏上形成的照度平面分布图。
本发明有以下特点:
1.采用LED作为光源,改进的第一抛物面反射器的长度随着LED模组出射光线中未经改进的椭球面反射器反射的直射光线的开口角度的变化而变化,当直射光线与竖直方向最大夹角变大时,改进的第一抛物面反射器长度要伸长以保证完全反射直射光部分,当LED发光半角较小以至完全被改进的椭球面反射器反射时,改进的第一抛物面反射器长度为零;
2.如图1所示结构,其中改进的椭球面反射器是基于标准椭球面反射器设计的,当LED光源可近似看作点光源时,该反射器采用标准的椭球面结构,当LED光源为一拓展光源时,该反射器采用改进后的椭球面反射器以保证LED面光源出射的光线能够会聚在第二焦点附近,当改进的椭球面反射器在第二焦点处的弥散斑直径为系统最大通光口径的1/10或更小时,改进的第一抛物面反射器采用标准的抛物面结构,当改进的椭球面反射器在第二焦点处的弥散斑直径大于系统最大通光口径的1/10时,该反射器采用改进的抛物面结构,以保证由改进的椭球面反射器在第二焦点处的弥散斑处出射的光线经其反射可以准直出射。改进的第二抛物面反射器在LED光源近似可看作点光源时,采用标准的抛物面结构,在LED光源为一扩展光源时,采用改进的抛物面结构,以保证LED直射光经其反射可以准直出射;
3.如图1所示理论无损光效的LED光全反射准直系统,理论上能够将LED光源发出的光束能量100%准直出射,仅仅有反射器的反射损失,而反射器的反射率可以做到95%以上或更高,系统又完全采用全反射器设计,没有任何透镜结构,所以准直的光学系统效率很高。

Claims (8)

1. 一种理论无损光效的LED光全反射的准直系统,其特征在于由白光LED模组(1)、改进的椭球面反射器(2)、改进的第一抛物面反射器(3)、改进的第二抛物面反射器(4)组成;所述白光LED模组(1)几何中心位于改进的椭球面反射器(2)的第一焦点处;所述改进的第一抛物面反射器(3)位于改进的椭球面反射器(2)上方,且其焦点与改进的椭球面反射器(2)的第二焦点重合;所述改进的第二抛物面反射器(4)位于改进的第一抛物面反射器(3)的上方,且其焦点与白光LED模组(1)几何中心位置重合;其中:
由白光LED模组(1)出射的一部分α角内光束经过改进的椭球面反射器(2)会聚到其第二焦点处,再经改进的第一抛物面反射器(3)准直出射;由白光LED模组(1)光源出射的另一部分β角内光束经过改进的第二抛物面反射器(4)准直出射;改进的第一抛物面反射器(3)和改进的第二抛物面反射器(4)的出射光束的主光轴平行,且同时平行于LED光源(1)的主光线,以保证经它们反射后的光线按同一水平方向准直出射,形成理论无损效率的高效LED光全反射的准直系统;00<α<1800,00<β<1800,且α+β=1800
2. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的白光LED模组(1) 为单芯片或多芯片COB封装的白光LED,多芯片封装发光面尺寸为A×A或A×B,其中0.5mm≤A≤20mm,0.5mm≤B≤20mm,A≠B,发光面积对角线为系统最大通光口径的1/10或更小,白光LED光源模组的发光面法线垂直于改进的椭球面反射器(2)的长轴所在的开口截面。
3. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的改进的椭球面反射器(2)以靠近的长轴端点为起点的第一焦点的位置大于5mm,第二焦点的位置大于等于10mm,长轴方向长度与第二焦点的位置长度相当,内表面采用高反射率镜面镀膜,反射率达到95%以上。
4. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的改进的第一抛物面反射器(3)焦距与白光LED模组(1)发光面结构大小相匹配,通光有效口径大于等于白光LED发光面对角线长度的10倍,第一抛物面反射器(3)的长度与其焦距相当,对于单颗芯片封装的白光LED,焦距为5-30mm,第一抛物面反射器(3)长度与其焦距的位置长度相当,通光有效口径为10-60mm。
5. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的改进的第二抛物面反射器(4)结构参数与改进的椭球面反射器(2)和改进的第一抛物面反射器(3)相匹配,其焦距大于等于8mm,第二抛物面反射器(4)长度大于等于15mm,通光有效口径大于40mm。
6. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的改进的椭球面反射器(2)是基于标准椭球面反射器设计而成,当LED光源近似看作点光源时,该椭球面反射器采用标准的椭球面结构,当LED光源为一拓展光源时,该椭球面反射器采用改进后的椭球面反射器(2)以保证白光LED模组(1)面光源出射的光线能够会聚到其第二焦点附近形成弥散斑较小的光斑。
7. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的改进的第一抛物面反射器(3)是基于标准的抛物面反射器设计而成,当改进的椭球面反射器(2)在其第二焦点处的弥散斑直径为系统最大通光口径的1/10或更小时,该抛物面反射器采用标准的抛物面结构,当改进的椭球面反射器(2)在其第二焦点处的弥散斑直径大于系统最大通光口径的1/10时,该抛物面反射器采用改进的第一抛物面反射器(3)结构,以保证由白光LED模组(1)出射的一部分α角内光束经过改进的椭球面反射器(2)在其第二焦点处形成弥散斑的光斑做为改进的第一抛物面反射器(3)焦点处的近似点光源,再经其表面反射后准直出射。
8. 根据权利要求1所述的LED光全反射的准直系统,其特征在于:所述的改进的第二抛物面反射器(4)是基于标准的抛物面反射器设计而成,在LED光源近似看作点光源时,采用标准的抛物面结构;在白光LED模组(1)光源为一扩展光源时,采用改进的第二抛物面反射器(4)结构,以保证由白光LED模组(1)光源出射的另一部分β角内光束经过改进的第二抛物面反射器(4)反射后准直出射。
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