CN104090356A - 一种用于1mm×1mm LED光源准直的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于LED面光源准直的光学系统，属于发光二极管封装和应用技术领域。系统包括非球面反射面、弯月形透镜和双凸透镜组成的准直透镜组、透明平板，整个系统关于其中心轴旋转对称；非球面反射面使照射在其上的全部光线反射后不经准直透镜直接出射；准直透镜组使照射在其上的全部光线折射后出射，透明平板连接外侧的反射面和中间的准直透镜，起固定准直透镜组的作用，但不改变照射在其上的光线方向。光学系统的总长度为16.00mm，出光孔径28.42mm。LED放在弯月形透镜前表面顶点前3.5mm处，从1mm×1mm LED光源发出的光经过此光学系统后出射光线的最大半发散角为4.600，不计菲涅尔损失和材料吸收，光能利用率达到100%，在远场形成一个中心亮、边缘稍暗的圆形光照区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于LED光源准直的光学系统，目的是将1 mm ×1 mm LED光源发出的光经过此光学系统后在没有能量损失（不计菲涅耳损耗和材料吸收）的条件下出射光线的最大发散角限制在±4.600 以内，属于发光二极管封装和应用技术领域。
背景技术
大功率LED光源由于其发光效率超过白炽灯，又不像荧光灯含汞和铅等有害物质，也没有荧光灯的紫外光和频闪等，还具有体积小、耐振动、寿命长、响应速度快等优点，因此越来越被广泛用于照明领域。但是由于LED的结构特点和发光的发散特性等，不能被直接用于照明，必须在没有能量损失的条件下进行光的二次分配，以改善LED发光的光能分布，使其满足照明要求。LED发光的发散角过大，还使光照射到所需照明区域之外，不仅造成了光能浪费，甚至造成光污染和眩光问题。因此，针对LED光源特点进行的二次光学系统设计成为必要。
二次光学系统设计的主要目的就是通过简单的光学系统压缩LED出射光线的发散角，比如手电筒、探照灯、汽车前照灯、夜视系统甚至聚焦系统等，在尽可能没有能量损失的前提下，使LED出射光成为近似平行出射光。实现这种转变的系统被称之为LED准直光学系统，准直系统一般采用反射杯和自由曲面透镜相组合的结构，如文献《Freeform lens design for LED collimating illumination》和《Freeform surface design for a light-emitting diode–based collimating lens》中所给出的全内反射和折射系统。这种结构使LED发散角较大区域的光线照射在反光杯上，通过反射实现准直，使发散角较小区域的光线照射在自由曲面透镜上，通过折射实现准直。
对于1 mm ×1 mm LED光源，文献《Freeform surface design for a light-emitting diode–based collimating lens》设计的折反准直系统，出光口径30 mm，在半视场角50内的光能利用率为81.5%；文献《Freeform lens design for LED collimating illumination》设计的折反准直系统，出光口径30 mm，在半发散角50内的光能利用率为86.5%；文献《用于LED光源准直的紧凑型光学系统设计》设计了一高度为7.65 mm，口径为8.73 mm 的紧凑型准直系统，使LED 光源的发散角从70°减少到约4°，效率在约85％。
但是这些设计是以点光源为参考点设计完成，然后推广到面光源，通过光线追迹模拟或者实验检验其对面光源准直效果，得到最大发散角和光能利用效率。因此这种设计对于面光源具有盲目性，有必要探索一套直接针对LED面光源准直的设计方法和准直系统，使所有的出射光线全部限制在所要求的发散角内，且光能损失仅仅由菲涅耳损失和光学系统材料本身吸收造成。
综上所述，现阶段封装LED光学系统的结构还远远不能满足半导体照明需要，需要进一步探索发明能将LED面光源发散角压缩的更小、光能利用率继续提高的新LED准直光学系统。
发明内容
本发明的目的是通过对上述LED折反准直系统进行改进，直接针对LED面光源准直照明设计的一种不仅使LED的发散角从±85°压缩到±4.6°，而且在±4.6°以内光能利用率可以达到100%的准直系统。
本发明的准直系统结构如图1、图2及图3所示，准直系统由外侧的高次非球面 （2）、中间的弯月形透镜（3）和双凸形透镜(6)组成的准直透镜组、固定弯月形透镜的透明平板（4）和固定双凸透镜的透明平板(5)组成, 所述光学系统关于其中心轴旋转对称。
从LED光源（1）发出的光照射到中间弯月形透镜（3）的部分经透镜（3）和(6)折射后以小于4.6°的半发散角出射，照射到光学系统外侧反射面（2）的部分经反射后不经过中间的准直透镜（3）和(6)而直接出射，固定准直透镜的透明平板（4）和(5)不改变光的方向。
优选的，所述外侧的高次非球面反射面（2）的材料为ACRYLIC， 非球面反射面应满足下列公式的要求：
(1)
其中：，为非球面方程的系数，C为非球面的顶点曲率，D为非球面顶点离开坐标原点的距离，这些参数应取表1中的值
优选的，所述的弯月形透镜（3）由前表面（31）、后表面（32）、侧表面（33）围成；前表面为球面，高度为5.824 mm，后表面亦是球面，高度为 6.306 mm，侧表面为一圆台侧面，圆台前后两底面的直径分别为5.824 mm、6.306 mm。
优选的，所述的双凸形透镜（6）由前表面（61）、后表面（62）、侧表面（63）围成；前表面为球面，高度为10.246 mm，后表面亦是球面，高度为 11.760 mm，侧表面为一圆台侧面，圆台前后两底面的直径分别为10.246 mm、11.760 mm。
优选的，透明平板(4)和（5）的厚度在0.1mm~0.4mm之间，材料为ACRYLIC。
优选的，所述的弯月形透镜（3）的前表面（31）顶点前3.5 mm 处放置LED芯片，芯片最大发光面积为1 mm×1 mm。
优选的，所述弯月形透镜（3）和双凸形透镜（6）的镜头参数取表2中的数据
优选的，所述弯月形透镜（3）和双凸形透镜（6）的材料为ACRYLIC，折射率为1.52054。
本光学系统的优点是： 1 ．系统的外侧是非球面，相比自由曲面，有确定的方程。系统中间的准直透镜组由球面镜组成，加工简单、费用低。2. LED封装后出射光的发散角由±85°压缩到±4.6°，且光能利用率在不计菲涅尔损失和材料吸收时达100%； 3．材料采用ACRYLIC，有利于系统加工、装配和批量化生产。
附图说明
图 1 为本发明的光学系统结构示意图；
图 2为本发明光学系统结构的三维示意图；
图 3 光学系统组成部分及物理量标示；
图4 LED发出光线与准直系统的几个特殊交点；
图5 LED光源发出的光经过系统外侧反射面的光路模拟
图6 LED光源发出的光经过系统中间准直透镜的光路模拟；
图7 LED光源发出的光经过整个准直系统的光路模拟；
图8 LED经准直系统后在x=6 m处的光照模拟图；
图9 在x=6 m处垂轴平面上光强的二维分布；
图10 在x=6 m处垂轴平面上光强的三维分布；
图11 在x=6 m处垂轴平面上的光斑；
附图标记如下：
图中：
dl 为LED光源（1）与弯月形透镜（3）前表面（31）顶点的间隔距离；
d2 弯月形透镜（3）前表面（31）顶点到后表面（32）顶点的距离；
d3 弯月形透镜（3）后表面（32）顶点到双凸透镜（6）的前表面（61）顶点距离；
d4 双凸透镜（6）的前表面（61）顶点到后表面（62）顶点的距离；
R31 为弯月形透镜（3）前表面（31）的曲率半径；
R32 为弯月形透镜（3）后表面（31）的曲率半径；
R61 为双凸透镜（6）前表面（61）的曲率半径；
R62 为双凸透镜（6）后表面（62）的曲率半径；
具体实施方式
根据图 1 所示的系统结构，设计了一用于1 mm ×1 mm LED光源准直系统， 该光学系统的技术指标如表3所示，光学系统具体设计参数如表4、5所示。
1 mm ×1 mm LED光源经过该系统后出射光线的最大半发散角小于4.600 ，若不计菲涅耳损失和材料吸收，光能利用率可以达到100%，在远场形成一个中心亮、边缘稍暗、近似高斯分布的圆形光照区域。
Claims (8)
1.一种用于1 mm ×1 mm LED面光源准直的光学系统，其特征在于：包括外侧的高次非球面 （2）、中间的弯月形透镜（3）和双凸形透镜(6)组成的准直透镜组、固定弯月形透镜的透明平板（4）和固定双凸透镜的透明平板(5)，所述光学系统关于其中心轴旋转对称；从LED光源（1）发出的光照射到中间弯月形透镜（3）的部分经透镜（3）和(6)折射后以小于4.60的半发散角出射，照射到光学系统外侧反射面（2）的部分经反射后不经过系统中间准直透镜（3）和(6)而直接出射，固定准直透镜的透明平板（4）和(5)不改变光的方向。
2.如权利要求1所述的一种用于1 mm ×1 mm LED准直的光学系统，其特征在于：所述外侧的高次非球面反射面（2）的材料为ACRYLIC， 非球面反射面应满足下列公式要求：
(1)
其中：，为非球面方程的系数，C为非球面的顶点曲率，D为非球面顶点离开坐标原点的距离，这些参数应取表1中的值
。
3.如权利要求1所述的一种用于1 mm ×1 mm LED准直的光学系统，其特征在于：所述的弯月形透镜（3）由前表面（31）、后表面（32）、侧表面（33）围成；前表面为球面，高度为5.824 mm，后表面亦是球面，高度为 6.306 mm，侧表面为一圆台侧面，圆台前后两底面的直径分别为5.824 mm、6.306 mm。
4.如权利要求1所述的一种用于1 mm ×1 mm LED准直的光学系统，其特征在于：所述的双凸形透镜（6）由前表面（61）、后表面（62）、侧表面（63）围成；前表面为球面，高度为10.246 mm，后表面亦是球面，高度为 11.760 mm，侧表面为一圆台侧面，圆台前后两底面的直径分别为10.246 mm、11.760 mm。
5.如权利要求1所述的一种用于1 mm ×1 mm LED准直的光学系统，其特征在于：透明平板(4)和（5）的厚度在0.1mm~0.4mm之间，材料为ACRYLIC。
6.如权利要求1-3所述的一种用于LED准直的光学系统，其特征在于：所述的弯月形透镜（3）的前表面（31）顶点前3.5 mm 处放置LED芯片，芯片最大发光面积为1 mm×1 mm。
7.如权利要求1所述的一种用于1 mm ×1 mm LED准直的光学系统，其特征在于：所述弯月形透镜（3）和双凸形透镜（6）的镜头参数取表2中的数据
。
8.如权利要求1所述的一种用于1 mm ×1 mm LED准直的光学系统，其特征在于：所述弯月形透镜（3）和双凸形透镜（6）的材料为ACRYLIC，折射率为1.52054。
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