CN201902992U - 一种新型led准直光学元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型LED准直光学元件，包括设置在底端的折射透镜和与折射透镜连为一体的反光杯，折射透镜的下底为一用于放置LED的内凹半球面开口，折射透镜的上表面由上半部分和下半部分两部分组成，上半部分为根据特定算法求得的自由曲面，上半部分的边界圆与折射透镜的中心轴的夹角为45°，下半部分为与内凹半球面开口同心且使得LED出射光经该面不发生偏折的半球面，反光杯的下底边缘与折射透镜的下底边缘相重合，反光板的上端开口半径与反光杯的杯体高度相等，反光杯的内壁为以LED所在点位焦点的抛物面。本实用新型结构简单，设计合理，LED的利用效率高，对LED出射光的准直效果好，使得LED可用于一些特殊照明场合，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种新型LED准直光学元件

技术领域

本实用新型涉及LED照明技术领域，尤其是涉及一种新型LED准直光学元件。

背景技术

由于在尺寸和节能方面的优势，越来越多的照明系统使用发光二极管(LED)作为光源，在有些特殊使用场合则需要对LED出射光线进行准直。如内窥镜、指示灯等若采用LED作为光源则必须对LED出射光准直后在聚焦应用。基于非成像光学的LED二次光学元件，正是解决这一问题的关键技术。因此，通过给LED外部安装特定二次光学镜头才能满足得到准直出射光的需求，并使LED节能环保、灵活耐用等优点得到充分体现。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种新型LED准直光学元件，其结构简单，设计合理，LED的利用效率高，对LED出射光的准直效果好，使得LED可用于一些特殊照明场合，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种新型LED准直光学元件，其特征在于：包括设置在底端的折射透镜和与折射透镜连接为一体的反光杯，所述折射透镜的下底为一用于放置LED的内凹半球面开口，所述折射透镜的上表面由上半部分和下半部分两部分组成，所述上半部分为根据特定算法求得的自由曲面，所述上半部分的边界圆与折射透镜的中心轴的夹角为45°，所述下半部分为与内凹半球面开口同心且使得LED出射光经该面不发生偏折的半球面，所述反光杯的下底边缘与折射透镜的下底边缘相重合，所述反光板的上端开口半径与反光杯的杯体高度相等，所述反光杯的内壁为以LED所在点位焦点的抛物面。

上述的一种新型LED准直光学元件，所述折射透镜的下底口径与反光杯的下底口径相等且连为一体。

上述的一种新型LED准直光学元件，所述折射透镜的制作材料为玻璃或塑料；所述玻璃为光学玻璃。

上述的一种新型LED准直光学元件，所述反光杯的制作材料为玻璃或塑料且所述反光杯的内壁上涂覆有高反射率材料；所述玻璃为光学玻璃。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：本实用新型由折射透镜和与折射透镜连接为一体的反光杯构成，结构简单、设计合理，易于实现；为避免大角度出射光线发生全反射，特对LED出射光分成与主光轴夹角为0-45°和45°-90°两部分，对前者通过折射透镜准直，对后者通过反光杯准直，对LED出射光的准直效果好，使得LED可用于一些特殊的照明场合，特别是适用于要求对LED光源进行准直的场合，进一步拓宽了LED的使用领域且提高了LED的利用效率，节能环保，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的立体图。

图2为本实用新型的剖视结构示意图。

图3为二维坐标下自由曲面母线与目标面半径方向上各点的一一对应关系图。

图4为切线迭代法确定自由曲面母线各点坐标的示意图。

附图标记说明：

1-折射透镜；    1-1-内凹半球面开口；    1-2-上半部分；

1-3-下半部分；      2-反光杯；        3-光源；

4-自由曲面母线；    5-入射光矢量；    6-法矢量；

7-出射光矢量；      8-目标面。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型包括设置在底端的折射透镜1和与折射透镜1连接为一体的反光杯2，为避免大角度出射光线发生全反射，特对LED出射光分成与主光轴夹角为0-45°和45°-90°两部分，对前者通过折射透镜1准直，对后者通过反光杯2准直；所述折射透镜1的下底为一用于放置LED的内凹半球面开口1-1，所述折射透镜1的上表面由上半部分1-2和下半部分1-3两部分组成，所述上半部分1-2为根据特定算法求得的自由曲面，所述上半部分1-2的边界圆与折射透镜1的中心轴的夹角为45°，该面使得LED出射光与主光轴夹角45°范围内的光线准直出射；所述下半部分1-3为与内凹半球面开口1-1同心且使得LED出射光经该面不发生偏折的半球面，所述反光杯2的下底边缘与折射透镜1的下底边缘相重合，所述反光板2的上端开口半径与反光杯2的杯体高度相等，保证由LED出射的45°-90°范围内光线经反光杯2内壁反射后准直出射，所述反光杯2的内壁为以LED所在点位焦点的抛物面，折射透镜1和反光杯2分别对LED发出的与主光轴夹角为0-45°和45°-90°范围内光能进行准直。

如图1和图2所示，本实施例中，所述折射透镜1的下底口径与反光杯2的下底口径相等且连为一体。所述折射透镜1的制作材料为玻璃、光学玻璃或塑料。所述反光杯2的制作材料为玻璃、光学玻璃或塑料且所述反光杯2的内壁上涂覆有高反射率材料。

本实用新型折射透镜1外表面自由曲面求解原理是：LED向半空间发出的光线是旋转对称的，设计时只需在二维坐标下求解对应的自由曲面母线，将其沿光轴方向360°旋转对称，即可得到对应的自由曲面。在点光源3近似下，如果将自由曲面母线4进行离散点的划分，那么每个节点处只有一根入射光线。再根据非成像光学边缘光线原理，通过自由曲面母线4上每个节点的光线，经过系统后，将对应于目标上唯一一点，通过节点之间连续部分的光线，经过系统后，也在目标上离散点中间连续分布。根据上述原理，对于给定准直光孔径和位置关系的系统，可将孔径大小的目标面半径及自由曲面母线4分割成数目相等的节点，使目标面半径上节点与自由曲面母线节点形成一一对应，那么根据Snell定律，通过控制自由曲面母线4上节点处的法矢量6，来控制每个节点处入射光线的出射方向，就可以精确地实现每个节点处光线的准直，当节点划分足够细时，整个自由曲面内光线均能被准直出射。反光杯2面型取以LED所在点为焦点的抛物面即可，但需保证反光杯2底端口径与反射透镜1底上的内凹半球面开口1-1口径相等。

二维情况下，求解自由曲面母线4时分三个步骤，自由曲面母线4与目标面半径方向上各点的一一对应关系如附图3所示。

首先，对准直孔径大小为R的目标面由中心开始沿径向进行等分至R/2处，即

二维坐标下，目标面径向R/2划分的第j个点的半径R_j可表示为：

$R_j=\frac{R}{2N}\mathrm{gj}---\left(1\right)$

其次，对LED出射到半空间截面0-45°的光线沿其与主光轴夹角φ划分N份。根据附图3所示节点对应关系，为使得折射范围内光线准直出射到目标面，则自由曲面母线4各点对应的φ_i可表示为：

${\mathrm{\φ}}_{i+1}={\mathrm{\φ}}_i+\arctan \frac{\mathrm{\ΔR}}{{\mathrm{\ρ}}_i},(i=\mathrm{0,1,2}\mathrm{L\; N})---\left(2\right)$

其中，φ_i和ρ_i分别为自由曲面母线上第i个节点在二维坐标系中与Y轴夹角和对应的矢径长度。

最后，如附图4所示，根据节点划分思想，自由曲面母线4被不同φ_i角的入射光线划分为个离散的N个点。设某点处法矢量6为

该点处入射 光单位矢量为出射光单位矢量为

则根据矢量形式Snell方程三者满足下面关系：

其中n为所求自由曲面透镜材料的折射率。由该方程知，每个节点处的法矢量由该点的入射光矢量5和出射光矢量7唯一确定。

在附图4中，任一点坐标(ρ_isinφ_i，ρ_icosφ_i)即表示该点处入射光矢量

设该点对应于目标面上一点(x_i，y₀)(y₀为任意选取的准直光线目标面在Y轴的高度)，则出射光矢量

为(x_i-ρ_isinφ_i，y₀-ρ_icosφ_i)。由各点处入射光矢量

和出射光矢量

的表示形式知，当各点处径向长度ρ_i确定后，各点坐标及该点入射光矢量5与出射光矢量7即完全确定，进而该点法矢量确定。下面通过切线迭代法确定各节点径向长度ρ_i。

如附图4所示，初始选取自由曲面母线4上一个节点S₀，其坐标为(0，ρ₀)，其坐标即确定入射光矢量5为

由其在目标面对应的节点T₀可确定出射光矢量

将以上两矢量单位化，由式(3)可求得该点处法矢量同时确定该点切线方程。当节点数目足够多时，与该点相邻的点处的入射光线必与该点切线相交。设该交点为S₁，其入射光矢量

也即确定，出射光矢量由点S1与目标面相应点T₁的坐标确定，同理可得该相邻节点处的法矢量

进而确定该点切线方程。按以上方法沿φ_i方向一直迭代下去，即可求得母线上N个点的坐标(ρ_isinφ_i，ρ_icosφ_i)。至此，所求折射形式的自由曲面母线4即确定，将其绕轴360°旋转即可得到折射透镜1外表面对应的自由曲面。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种新型LED准直光学元件，其特征在于：包括设置在底端的折射透镜(1)和与折射透镜(1)连接为一体的反光杯(2)，所述折射透镜(1)的下底为一用于放置LED的内凹半球面开(1-1)，所述折射透镜(1)的上表面由上半部分(1-2)和下半部分(1-3)两部分组成，所述上半部分(1-2)为根据特定算法求得的自由曲面，所述上半部分(1-2)的边界圆与折射透镜(1)的中心轴的夹角为45°，所述下半部分(1-3)为与内凹半球面开(1-1)同心且使得LED出射光经该面不发生偏折的半球面，所述反光杯(2)的下底边缘与折射透镜(1)的下底边缘相重合，所述反光板(2)的上端开口半径与反光杯(2)的杯体高度相等，所述反光杯(2)的内壁为以LED所在点位焦点的抛物面。

2.按照权利要求1所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述折射透镜(1)的下底口径与反光杯(2)的下底口径相等且连为一体。

3.按照权利要求1所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述折射透镜(1)的制作材料为玻璃或塑料。

4.按照权利要求1所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述反光杯(2)的制作材料为玻璃或塑料且所述反光杯(2)的内壁上涂覆有高反射率材料。

5.按照权利要求3或4所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述玻璃为光学玻璃。

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