CN104199190B - 一种基于led的光束整形透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED的光束整形透镜，其特征在于：它由LED光源1、LED光束入射面2、LED光束出射面3，以及LED左右侧向光束操控面4，及LED前后侧向光束操控面5组成。LED发出的光束一部分通过光束入射面2和光束出射面3进行调控，LED发出的另一部分光束则主要通过侧向光束全反射操控面4，及侧向光束全反射操控面5进行调控。该微结构主要用于产生矩形光斑分布图案。

Description

一种基于LED的光束整形透镜

所属技术领域

本发明涉及一种基于LED的光束整形透镜，采用该光学透镜可将LED芯片发出的球形光束全部以矩形光束输出。

背景技术

在以环保节能时代主题下，新光源—大功率LED照明在全球越来越火的时代，大功率LED照明产业的新宠以其独特的品质环保、节能、长寿命为传统的照明灯具带来了一场人类史上的巨大革命。

LED新光源作为一个新的应用领域的产物，虽然其自身具有卓越的优良品质，但是在照明领域取代传统的钠灯，日光灯等仍旧具有其局限性和需要改良的部分。由于体积小从而发光面小，由于其发光的方向性很差，导致对LED光源光线的传输过程难以控制。在实际的照明应用中期望得到一种透镜或透镜组来控制和解决LED最高明的光学问题，其能改变点光源(严格讲应该是小面光)的照射角度，将发散光束限制在一定角度范围内输出或者以矩形光斑输出，为实现对LED光线进行重新分配提供操控平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LED的光束整形透镜，用于解决将LED球面发散光线转换为矩形光束，并获得接近100％的能量利用率。

为此，本发明提供了一种基于LED的光束整形透镜，它由LED光源、LED光源光束前入射面、LED光源光束前出射面，侧入射面，LED光源左右侧向全反射光束操控面，LED光源前后侧向光束全反射操控面，侧出射面组成，LED光源发出的光束一部分通过LED光源光束前入射面和LED光源光束前出射面进行折射调控，LED光源发出的另一部分光束则主要通过侧入射面、左右侧向光束全反射操控面，及前后侧向光束全反射操控面，侧出射面进行调控；

以LED光源为中心点，建立坐标系(x，y，z)，LED光源中心光线为Z轴；Φ表示由光线与y轴构成的平面T_Φ与Z轴的夹角，θ表示由光线与x轴构成的平面S_θ与Z轴的夹角；取任意两个θ值如θ₁，θ₂，其对应的平面S_θ1，S_θ2与LED光源光束前入射面的交线为L_θ1与L_θ2；L_θ1在进行放大或缩小变形后与L_θ2基本重合，L_θ1与L_θ2满足如下表述，(M(Φ，θ1)-M(Φ＝0，θ1))/z(Φ＝0，θ1)≈(M(Φ，θ2)-M(Φ＝0，θ2))/z(Φ＝0，θ2)；z(Φ＝0，θ1)，z(Φ＝0，θ2)分别表示过LED光源中心，且方向在(Φ＝0，θ＝θ1)和(Φ＝0，θ＝θ2)的光线与LED光源光束前入射面的交点的z方向坐标；M(Φ，θ)表示辐射方向(Φ，θ)的光线与LED光源光束前入射面的交点的Z方向坐标。

进一步的，取任意两个Φ值如Φ₁，Φ2，其对应的平面T_Φ1，T_Φ2与LED光源光束前出射面的交线为J_Φ1与J_Φ2；J_Φ1在进行放大或缩小变形后基本重合，且满足如下表述，J_Φ1/r(Φ1，θ＝0)≈J_Φ2/r(Φ2，θ＝0)；设p_Φ1、p_Φ2为方向在(Φ1，θ＝0)和(Φ2，θ＝0)的光线与LED光源光束前出射面的交点，r(Φ1，θ＝0)，r(Φ2，θ＝0)分别表示LED光源中心与p_Φ1、p_Φ2的距离。

进一步的，设LED光源具有相同发射角Φ＝Φ_i的一组光线照射到LED光源左右侧向全反射光束操控面时，在LED光源左右侧向全反射光束操控面以Φ＝Φ_j反射，反射光线组成的平面与侧出射面的交线为Φ_P；具有相同LED光源发射角Φ＝Φ_i的光线在到达侧出射面时依然处于同一平面内，且该平面与侧出射面的交线Φ_P的形貌不随LED光源发射角Φ值的改变而改变，即对于不同的LED光源的发射角Φ＝Φ_i1和Φ＝Φ_i2的两组光线，其出射光线与侧出射面的交线Φ_P1、Φ_P2通过三维移动和旋转后可以重合。

进一步的，以LED光源为中心点，垂直于y轴的平面y＝y_i与LED光源光束前入射面的交线的数值孔径将随y_i绝对值的增加逐渐缩小。

本发明的优点在于：

1、采用前入射面2对LED光线进行操控，能够保证从LED发出的具有相同辐射角Φ的光线依然保持在同一平面内，同时可以将LED发出的大角度光线有效利用；实现LED能量100％耦合输出；

2、采用引入光学反射面5、6及侧出射面7对大角度光线进行操控，可以有效减小折射结构的体积，对于获得小体积的配光透镜非常有利。

3、上述措施改善了LED点光源的分布效果，使光源的光既得到充分利用也改善了照射均匀度，解决了LED作为新型照明光源光线分布不均的技术难题。

下面将结合附图通过优选实施例详细描述本发明。

附图说明

图1LED的光束整形透镜的截面示意图；它由LED光源1、LED光束前入射面2、LED光束前出射面3，侧入射面4，LED左右侧向全反射光束操控面5，LED前后侧向光束全反射操控面6，侧出射面7组成。LED发出的光束一部分通过光束入射面2和光束出射面3进行折射调控，LED发出的另一部分光束则主要通过侧入射面4、左右侧向光束全反射操控面5，及前后侧向光束全反射操控面6，侧出射面7进行调控。

图2为过LED中心光线沿x轴的剖面；

图3为过LED中心光线沿y轴的剖面；

具体实施方式

现在参考附图对本发明进行描述

图1示出了根据本发明示例性实施方式的LED光学透镜的立体图，如图1所示。它由LED光源1、LED光源光束前入射面2、LED光源光束前出射面3，侧入射面(4)，LED光源左右侧向全反射光束操控面5，LED光源前后侧向光束全反射操控面6，侧出射面7组成，LED光源发出的光束一部分通过LED光源光束前入射面2和LED光源光束前出射面3进行折射调控，LED光源发出的另一部分光束则主要通过侧入射面4、左右侧向光束全反射操控面5，及前后侧向光束全反射操控面6，侧出射面7进行调控；

以LED光源为中心点，建立坐标系(x，y，z)，LED光源中心光线为Z轴；Φ表示由光线与y轴构成的平面T_Φ与Z轴的夹角，θ表示由光线与x轴构成的平面S_θ与Z轴的夹角；取任意两个θ值如θ₁，θ₂，其对应的平面S_θ1，S_θ2与LED光源光束前入射面2的交线为L_θ1与L_θ2；L_θ1在进行放大或缩小变形后与L_θ2基本重合，L_θ1与L_θ2满足如下表述，(M(Φ，θ1)-M(Φ＝0，θ1))/z(Φ＝0，θ1)≈(M(Φ，θ2)-M(Φ＝0，θ2))/z(Φ＝0，θ2)；z(Φ＝0，θ1)，z(Φ＝0，θ2)分别表示过LED光源中心，且方向在(Φ＝0，θ＝θ1)和(Φ＝0，θ＝θ2)的光线与LED光源光束前入射面2的交点的z方向坐标；M(Φ，θ)表示辐射方向(Φ，θ)的光线与LED光源光束前入射面2的交点的Z方向坐标。

进一步的，取任意两个Φ值如Φ₁，Φ2，其对应的平面T_Φ1，T_Φ2与LED光源光束前出射面3的交线为J_Φ1与J_Φ2；J_Φ1在进行放大或缩小变形后基本重合，且满足如下表述，J_Φ1/r(Φ1，θ＝0)≈J_Φ2/r(Φ2，θ＝0)；设p_Φ1、p_Φ2为方向在(Φ1，θ＝0)和(Φ2，θ＝0)的光线与LED光源光束前出射面3的交点，r(Φ1，θ＝0)，r(Φ2，θ＝0)分别表示LED光源中心与p_Φ1、p_Φ2的距离。

进一步的，设LED光源具有相同发射角Φ＝Φ_i的一组光线照射到LED光源左右侧向全反射光束操控面5时，在LED光源左右侧向全反射光束操控面5以Φ＝Φ_j反射，反射光线组成的平面与侧出射面7的交线为Φ_P；具有相同LED光源发射角Φ＝Φ_i的光线在到达侧出射面7时依然处于同一平面内，且该平面与侧出射面7的交线Φ_P的形貌不随LED光源发射角Φ值的改变而改变，即对于不同的LED光源的发射角Φ＝Φ_i1和Φ＝Φ_i2的两组光线，其出射光线与侧出射面7的交线Φ_P1、Φ_P2通过三维移动和旋转后可以重合。

进一步的，以LED光源为中心点，垂直于y轴的平面y＝y_i与LED光源光束前入射面2的交线的数值孔径将随y_i绝对值的增加逐渐缩小。

以上所揭示的仅为本发明实施例而已，不能以此来约束本专利的权利范围。

Claims (4)

1.一种基于LED的光束整形透镜，其特征在于：它由LED光源(1)、LED光源光束前入射面(2)、LED光源光束前出射面(3)，侧入射面(4)，LED光源左右侧向全反射光束操控面(5)，LED光源前后侧向光束全反射操控面(6)，侧出射面(7)组成，LED光源发出的光束一部分通过光束前入射面(2)和光束前出射面(3)进行折射调控，LED光源发出的另一部分光束则主要通过侧入射面(4)、左右侧向全反射光束操控面(5)，及前后侧向光束全反射操控面(6)，侧出射面(7)进行调控；

以LED光源为中心点，建立坐标系(x，y，z)，LED光源中心光线为z轴；Φ表示由光线与y轴构成的平面T_Φ与z轴的夹角，θ表示由光线与x轴构成的平面S_θ与z轴的夹角；取任意两个θ值如θ₁，θ₂，其对应的平面S_θ1，S_θ2与LED光源前入射面(2)的交线为L_θ1与L_θ2；L_θ1在进行放大或缩小变形后与L_θ2重合；

L_θ1与L_θ2满足如下表述，(M(Φ，θ₁)-M(Φ＝0，θ₁))/z(Φ＝0，θ₁)≈(M(Φ，θ₂)-M(Φ＝0，θ₂))/z(Φ＝0，θ₂)；z(Φ＝0，θ₁)，z(Φ＝0，θ₂)分别表示过LED光源中心，且方向在(Φ＝0，θ₁)和(Φ＝0，θ₂)的光线与LED光源光束前入射面(2)的交点的z方向坐标；M(Φ，θ)表示辐射方向(Φ，θ)的光线与前入射面(2)的交点的z方向坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于LED的光束整形透镜，其特征在于：取任意两个Φ值如Φ₁，Φ₂，其对应的平面T_Φ1，T_Φ2 与LED光源光束前出射面(3)的交线为J_Φ1与J_Φ2；J_Φ1在进行放大或缩小变形后与J_Φ2重合；

且满足如下表述，J_Φ1/r(Φ₁，θ＝0)≈J_Φ2/r(Φ₂，θ＝0)；设p_Φ1、p_Φ2为方向在(Φ₁，θ＝0)和(Φ₂，θ＝0)的光线与LED光源光束前出射面(3)的交点，r(Φ₁，θ＝0)，r(Φ₂，θ＝0)分别表示LED光源中心与p_Φ1、p_Φ2的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于LED的光束整形透镜，其特征在于：设LED光源具有相同发射角Φ＝Φ_i的一组光线照射到LED光源左右侧向全反射光束操控面(5)时，在LED光源左右侧向全反射光束操控面以Φ＝Φ_j反射，反射光线组成的平面与侧出射面(7)的交线为Φ_P；具有相同LED光源发射角Φ＝Φ_i的光线在到达侧出射面(7)时依然处于同一平面内，且该平面与侧出射面(7)的交线Φ_P的形貌不随LED光源发射角Φ值的改变而改变，即对于不同的LED光源的发射角Φ＝Φ_i1和Φ＝Φ_i2的两组光线，其出射光线构成的平面与侧出射面(7)的交线Φ_P1、Φ_P2通过三维移动和旋转后可以重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于LED的光束整形透镜，其特征在于：以LED光源为中心点，垂直于y轴的平面y＝y_i与前入射面(2)的交线的数值孔径将随y_i绝对值的增加逐渐缩小。