CN104713030A - 球面led阵列聚光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电技术。球面LED阵列聚光系统，包括一LED发光装置,LED发光装置包括一LED光源、一准直透镜，准直透镜位于LED光源的前方，LED发光装置等间距的排布在一球面上，构成一球面LED阵列；球面LED阵列的前方设有一聚光装置，各LED的中心轴线穿过聚光装置的中心。本发明能够把功率不高的LED光源通过阵列的形式准直后，进行聚光，得到一个高光通量、小口径的光斑。采用该光斑作为光源，不仅能够克服现有的LED功率不够高以及大功率氙灯的缺点，还可以简化和优化之后的光学设计，达到非常好的效果。

Description

球面LED阵列聚光系统

技术领域

本发明涉及光电技术，具体涉及LED。

背景技术

目前使用LED的场合大多是小功率，不需要那么大光通量的，而在需要用到高功率的场合也基本都是泛光照明，例如路灯。由于目前技术的限制，LED的功率不够大。在需要大功率光源的场合，往往会使用卤素灯、氙灯等光源。氙灯与普通卤素灯比较而言，具有亮度效率高、省电、光通量大、电能转换光能效率高、使用寿命长(约3000小时)的优点。氙灯的缺点在于穿透力不行，尤其是在雨雾天气下。氙灯在开启后达到完全的亮度还需要几秒钟的时间，这几秒钟的延时，对于某些应用，如汽车车灯来说，会带来一定的危险性。此外就是氙气灯需要安定器模块为其提供高电压。而LED光源，具备大功率氙灯所不具备的优点。LED是一种环保无污染、寿命长、色温范围广、显色指数高、安全的优质光源。尤其是在寿命方面，LED可达6万到10万小时，是氙灯的10倍以上。LED的穿透力比氙灯要好，且LED的响应时间是纳米级的，又无需安装安定器模块。随着LED的发光效率不断提高、颜色多样化的发展，价格不断下降，LED的应用领域不断的扩展。从原来的低光通量的指示灯到显示屏，再从室外显示屏到中等光通量的功率信号灯和特殊照明的白光光源，最后发展到高光通量的通用照明光源。然而，现有技术，达到高光通量照明光源还需要继续研究和技术突破。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球面LED阵列聚光系统。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

球面LED阵列聚光系统，包括一LED发光装置,其特征在于,所述LED发 光装置包括一LED光源、一准直透镜，所述准直透镜位于所述LED光源的前方，所述LED发光装置等间距的排布在一球面上，构成一球面LED阵列；

所述球面LED阵列的前方设有一聚光装置，各所述LED的中心轴线穿过所述聚光装置的中心。

本发明能够把功率不高的LED光源通过阵列的形式准直后，进行聚光，得到一个高光通量、小口径的光斑。采用该光斑作为光源，不仅能够克服现有的LED功率不够高以及大功率氙灯的缺点，还可以简化和优化之后的光学设计，达到非常好的效果。

所述球面优选圆球小于三分之一的连续表面，所述LED发光装置位于所述连续表面的内侧。以保证在球面上的各LED发光装置发出的光尽量多的进入聚光装置。

作为一种优选方案，所述聚光装置为一光锥聚光器。光锥聚光器虽然不能成像，但是可以应用于需要减小探测器尺寸的设计中。所述聚光装置优选为空心光锥聚光器。

所述光锥聚光器包括一大口端、一小口端，所述光锥聚光器的大口端设有一场镜，所述光锥聚光器的小口端作为球面LED阵列聚光系统的接受端面。

光线在所述光锥聚光器的锥壁上第m个反射点的入射角i_m，反射光线与光锥轴的夹角u_m，光锥半锥角t：

i_m＝90°-V-(2m-1)t

u_m＝V+2mt

光线在所述光锥聚光器的光锥壁每反射一次，入射角就减少2t，与光锥的夹角增加2t，当i_m<η或β_m>90°，光线不能从小端出射。

建立直角坐标系,若已知V、大端半口径s，确定反射次数m，那么光锥出射端的口径大小|y_Am|及光锥长度x_Am几何关系解出。

b₁＝s  (m＝1)

b_m＝y_m-1-tg(u_m-1)·x_m-1(-1)^m+1(m>1) 

$x_{\mathrm{Am}}=\frac{s-b_m\&CenterDot;{(-1)}^{m+1}}{\mathrm{tg}\left(t\right)+\mathrm{tg}\left(u_{m-1}\right)}$

y_Am＝[-tg(t)·x_Am+s]×(-1)^m+1

在采用所述光锥聚光器对于LED阵列投射的光线进行聚光。场镜可以减少入射角的大小，有助于光线从导光锥中出射，同时也具有减小出射端口尺寸的作用。

作为另一种优选方案，所述聚光装置为一复合抛物面聚光器。复合抛物面聚光器能够将光线汇集在出光孔上，从而达到聚光的效果。

设2a为接受面宽度、2a′为焦面宽度、θ_i是入射角、2θ_max两阴影线与光轴的夹角、c为聚光比，则长度L为

其中， $c=\frac{a}{a^{\&prime;}}=\frac{1}{\sin {\mathrm{\&theta;}}_i}.$

优选，所述接受面宽度2a＝40mm，所述焦面宽度2a′＝10mm，所述长度L＝96.8mm。

所述LED发光装置通过一万向轴连接所述球面。以通过万向轴调整LED发光装置的朝向，从而进一步调整聚光度，提高光通量。

所述万向轴通过传动机构连接一电机，所述电机连接一信号处理系统，所述信号处理系统连接一温度传感器，所述温度传感器位于所述聚光装置的出光口处。信号处理系统通过检测出光口处的温度变化，检测光通量的调整情况。

所述球面包括一呈球面状的支撑板，所述支撑板上设有复数个凹坑，各凹坑内均设有一个所述万向轴，各万向轴上均连接有一个所述LED发光装置。以通过凹坑降低LED发光装置的高度，从而减小设备体积。更关键的是使各LED发光装置的LED光源位于球面上，可使更多的光进入聚光装置，提高聚光装置的聚光效果。

附图说明

图1是单个LED组的剖视图；

图2是球面LED阵列的左视图；

图3是光锥聚光器边缘光线临界点示意图；

图4是采用光锥聚光器时的剖视图；

图5是复合抛物面聚光器的聚光原理图；

图6是采用复合抛物面聚光器时的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，球面LED阵列聚光系统，包括一LED发光装置,LED发光装置包括一LED光源1、一准直透镜2，准直透镜2位于LED光源1的前方，LED发光装置等间距的排布在一球面上，构成一球面LED阵列3；球面LED阵列3的前方设有一聚光装置，各LED的中心轴线穿过聚光装置的中心。本发明能够把功率不高的LED光源1通过阵列的形式准直后，进行聚光，得到一个高光通量、小口径的光斑。采用该光斑作为光源，不仅能够克服现有的LED功率不够高以及大功率氙灯的缺点，还可以简化和优化之后的光学设计，达到非常好的效果。

球面优选圆球小于三分之一的连续表面，LED发光装置位于所述连续表面的内侧。以保证在球面上的各LED发光装置发出的光尽量多的进入聚光装置。

具体实施例1，参照图3和图4，聚光装置为一光锥聚光器4。光锥聚光器4虽然不能成像，但是可以应用于需要减小探测器尺寸的设计中。聚光装置优选为空心光锥聚光器。光锥聚光器4包括一大口端、一小口端，光锥聚光器4的大口端设有一场镜5，光锥聚光器4的小口端作为球面LED阵列聚光系统的接受面6。

光线在光锥聚光器4的锥壁上第m个反射点的入射角i_m，反射光线与光锥轴的夹角u_m，光锥半锥角t：

i_m＝90°-V-(2m-1)t

u_m＝V+2mt

光线在光锥聚光器4的光锥壁每反射一次，入射角就减少2t，与光锥的夹角增加2t，当i_m<η或β_m>90^°，光线不能从小端出射。

建立直角坐标系,若已知V、大端半口径s，确定反射次数m，那么光锥出射端的口径大小|y_Am|及光锥长度x_Am几何关系解出。

b₁＝s  (m＝1)

b_m＝y_m-1-tg(u_m-1)·x_m-1(-1)^m+1(m>1) 

$x_{\mathrm{Am}}=\frac{s-b_m\&CenterDot;{(-1)}^{m+1}}{\mathrm{tg}\left(t\right)+\mathrm{tg}\left(u_{m-1}\right)}$

y_Am＝[-tg(t)·x_Am+s]×(-1)^m+1

在采用光锥聚光器4对于LED阵列投射的光线进行聚光。场镜可以减少入射角的大小，有助于光线从导光锥中出射，同时也具有减小出射端口尺寸的作用。

具体实施例2，参照图5和图6，聚光装置为一复合抛物面聚光器7。复合抛物面聚光器7能够将光线汇集在出光孔上，从而达到聚光的效果。复合抛物面聚光器7优选由前、后排布的两个圆锥构成，两个圆锥的圆锥曲线不相同。以两个圆锥距离LED发光装置最远的端口所在的平面作为球面LED阵列聚光系统的接受面6。

设2a为接受面宽度、2a′为焦面宽度、θ_i是入射角、2θ_max两阴影线与光轴的夹角、c为聚光比，则长度L为

其中， $c=\frac{a}{a^{\&prime;}}=\frac{1}{\sin {\mathrm{\&theta;}}_i}.$

上述两实施例中，接受面宽度优选为40mm，抛物面聚光器7的焦面宽度优选为2a′＝10mm、长度优选为L＝96.8mm。

LED发光装置通过一万向轴连接球面。以通过万向轴调整LED发光装置的朝向，从而进一步调整聚光度，提高光通量。万向轴通过传动机构连接一电机，电机连接一信号处理系统，信号处理系统连接一温度传感器，温度传感器位于聚光装置的接受面处。信号处理系统通过检测出光口处的温度变化，检测光通量的调整情况。球面包括一呈球面状的支撑板，支撑板上设有复数个凹坑，各凹坑内均设有一个万向轴，各万向轴上均连接有一个LED发光装置。以通过凹坑降低LED发光装置的高度，从而减小设备体积。更关键的是使各LED发光装置的LED光源1位于球面上，可使更多的光进入聚光装置，提高聚光装置的聚光效果。还可以，在凹坑的内壁上覆盖一反光膜，以使更多的光射向前方。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.球面LED阵列聚光系统，包括一LED发光装置,其特征在于,所述LED发光装置包括一LED光源、一准直透镜，所述准直透镜位于所述LED光源的前方，所述LED发光装置等间距的排布在一球面上，构成一球面LED阵列；

所述球面LED阵列的前方设有一聚光装置，各所述LED的中心轴线穿过所述聚光装置的中心。

2.根据权利要求1所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述聚光装置为一光锥聚光器。

3.根据权利要求2所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述聚光装置为空心光锥聚光器。

4.根据权利要求2所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述光锥聚光器包括一大口端、一小口端，所述光锥聚光器的大口端设有一场镜，所述光锥聚光器的小口端作为光锥聚光器的接受端面。

5.根据权利要求1所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述聚光装置为一复合抛物面聚光器。

6.根据权利要求5所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述复合抛物面聚光器由前、后排布的两个圆锥构成，两个圆锥的圆锥曲线不相同。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述球面为圆球小于三分之一的连续表面，所述LED发光装置位于所述连续表面的内侧。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述LED发光装置通过一万向轴连接所述球面。

9.根据权利要求8所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述万向轴通过传动机构连接一电机，所述电机连接一信号处理系统，所述信号处理系统连接一温度传感器，所述温度传感器位于所述聚光装置的接受面处。

10.根据权利要求9所述的球面LED阵列聚光系统，其特征在于，所述球面包括一呈球面状的支撑板，所述支撑板上设有复数个凹坑，各凹坑内均设有一个所述万向轴，各万向轴上均连接有一个所述LED发光装置。