CN203052525U - 一种应用于led光源的多表面自由曲面光学透镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，属于光学技术领域，其结构包括LED器件和镜体，所述镜体包括一个折射圆柱面、一个三维全反射面、一个三维折射面和一个三维自由曲面出光面，三维全反射面设置在三维折射面内并通过折射圆柱面与三维折射面后端相连接，三维自由曲面出光面设置在三维折射面前端，前述LED器件的几何中心位于三维折射面的焦点位置。本实用新型和现有技术相比，通过将多个光学结合到一个完整器件，使得整体的器件结构更为紧凑，并在一定程度上避免了多器件的光学损失，提高了整体的能量利用效率，并且光学性能犹为突出，可配合LED器件应用于各种需要均匀照明的场合，包括室内照明。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜。
背景技术
目前大功率白光LED的照明技术正在迅速发展，以取代某些高能耗的传统光源，实现高效、稳定的照明系统。基于LED的发光特点，旋转对称的全反射准直透镜已成为较为普遍的一种前置光学系统，来较为高效地收集LED发出的光线。
目前，较为普遍的旋转对称全反射透镜只能将LED的光线进行收集和准直，单一的全反射透镜是无法用做一般照明的，通常还会配有后级光学系统，如光学散射阵列、磨砂表面等，将经过全反射透镜的光线进行再次分配，以满足一般照明的需要，尤其是在室内照明中。多个器件的级联必然会造成能量的损失、提高装配的精度要求以及造成系统成本的上升。
此外，基于旋转对称的全反射透镜，考虑到它自身的旋转对称特性，所投射出的光束通常为一圆形光斑，并且在中心方向上的光强明显高于其它扩散方向，并不适合应用于某些照明场合的光形要求和光强分布要求。
发明内容
本实用新型的技术任务是针对现有技术的不足，本实用新型将多个自由曲面光学表面组合到一个单一器件上，避免了多个器件造成的能量损失、成本增加和装配误差，并针对于许多照明场合对于矩形光斑的要求，采用了母线扫描式构造三维自由曲面出光面的方法，将圆形光斑转化为矩形光斑，并且产生的照明光斑的均匀度可以达到0.6以上。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，包括LED器件和镜体，所述镜体包括一个折射圆柱面、一个三维全反射面、一个三维折射面和一个三维自由曲面出光面，三维全反射面设置在三维折射面内并与其开口方向相同，三维全反射面通过折射圆柱面与三维折射面后端相连接，三维自由曲面出光面设置在三维折射面前端，前述LED器件的几何中心位于三维折射面的焦点位置。
应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其LED器件为单芯片封装的大功率LED光源，光源功率大小1-20 W。
应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其LED器件为多芯片封装的大功率LED光源，光源功率大小1-20W。
应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其所述的三维自由曲面出光面是由一条自由曲线与其所在平面正交平面上的另一条自由曲线扫描而成，扫描得到的三维自由曲面出光面上形成的两条横贯整个表面的正交棱，即为母线和扫描轨迹；三维全反射面和三维折射面均是由近似抛物线的曲线围绕镜体中轴线旋转形成的曲面；折射圆柱面是由切除拉伸特征所限定的旋转对称柱面表面，折射圆柱面与三维全反射面开口端相连接。
应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其该柱面的切除深度为10-20mm，切除半径为8-16mm，并由此限定了相应折射表面的孔径半径为8-16mm。
应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其三维全反射面的曲面线形与柱面切除深度和切除半径均相配合。对于切除深度和切除半径，该自由曲线的线型也相应变化。光线入射到该三维全反射面后，被准直成为平行光线出射到三维自由曲面出光面。
LED器件发出的光线一部分入射到折射柱面，经过三维全反射面反射后出射，形成准直的平行光，其余部分光线经由三维折射面后准直出射。所有的光束经过准直直射后，再通过三维自由曲面出光面折射，重新分配出射光的方向，将准直光束扩展到一定的角度，并在目标照明面上形成均匀的矩形光照度分布。
该自由曲面透镜通过将多个光学结合到一个完整器件，使得整体的器件结构更为紧凑，并在一定程度上避免了多器件的光学损失，提高了整体的能量利用效率，并且光学性能突出，可配合LED器件应用于各种需要均匀照明的场合，包括室内照明。
本实用新型与现有技术相比，所产生的有益效果是：
1）、利用瓦级大功率LED器件可作为一有限尺寸的扩展光源，能够起到天然的扩展作用，便于实现出射光斑的角度扩展；
2）、利用LED单面发光的特点，通过一个折射圆柱面，一个三维全反射面，一个三维折射面和一个三维自由曲面出光面，综合利用了全反射和折射原理。同时，将多个光学表面紧凑地整合到单一的折射器件上，减少了多级光学表面的级联损失，对于单面发光的LED器件的光通量利用率达到90%以上，提高了整个系统的效率。
3）、所述的多表面自由曲面光学透镜结构紧凑。由于透镜的材料低廉，加工成模工艺也较为成熟，便于开模加工。
4）、所设计的三维自由曲面出光面，是分别由两条满足光学能量分布的自由曲线形成。以竖直平面内的自由曲线作为母线，以水平方向自由曲线作为轨迹扫掠而成，从而将原有的旋转对称光斑转化为在目标照明面上、给定尺寸大小的矩形光斑。准确的双自由曲线拓扑设计能够保证出射光斑的均匀度达到0.6以上；
本实用新型的多表面自由曲面光学透镜，结构紧凑，系统一体化集成度高，便于开模加工和装配定位；同时光学性能突出，光能利用率达到90%以上，在一定距离的目标照明面上，能实现均匀度达到0.6以上的矩形光斑。
附图说明
图1是多表面自由曲面光学透镜的前视图；
图2是多表面自由曲面光学透镜的俯视图；
图3是多表面自由曲面光学透镜的正等轴测图；
图4是应用该多表面自由曲面光学透镜的LED器件在4米远测试屏上的照明光斑效果图；
图5是应用该多表面自由曲面光学透镜的LED器件在4米远测试屏上形成的照度平面分布梯度图和照度直角坐标分布图。
图中标号：
1为所述的折射圆柱面；
2为所述的三维全反射面；
3为所述的三维折射面；
4为所述的三维自由曲面出光面。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作以下详细说明。
1．采用Cree公司生产的大功率LED器件XML作为光源进行测试，XML的最大输出功率为10W，光通量输出可达1000lm，芯片发光面积为4 mm2，适合使用本实用新型所述的多表面自由曲面光学透镜；折射柱面1的切除半径为8.5mm，切除最大深度为14.5mm；三维折射面3的入瞳半径也为8.5mm，物方焦距与切除最大深度一致，也即14.5mm，；XML芯片由折射柱面3的开口处置入透镜，芯片的发光面（器件基座）与柱面开口端齐平，芯片的发光中心与折射圆柱面1的圆底中心一致。
2．依照折射圆柱面1和三维折射面3对三维全反射面2进行设计。三维折射面3的母线从透镜的底面开始，绕光轴旋转一周后，形成入口半径9.5mm，出口半径27.5mm、入口与出口间距为28.4mm的旋转对称曲面。
3． 三维自由曲面出光面4的母线和轨迹可分别按照能量拓扑关系计算。所得的由母线沿轨迹扫描而成的曲面为一自由曲面。
4．XML白光LED器件发出的部分光线经过折射圆柱面1后，再经由三维全反射面2准直反射，而其余部分光线直接通过三维折射面3平行出射。准直后的两部分光线都通过最终的三维自由曲面出光面4，在4米远测试屏的水平方向和竖直方向上分别产生4m和3m的扩展，产生均匀度不低于0.6的矩形照明区域。总体光能利用率达到90%。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业人员的已知技术。
Claims (6)
1.一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，包括LED器件和镜体，其特征在于所述镜体包括一个折射圆柱面、一个三维全反射面、一个三维折射面和一个三维自由曲面出光面，三维全反射面设置在三维折射面内并与其开口方向相同，三维全反射面通过折射圆柱面与三维折射面后端相连接，三维自由曲面出光面设置在三维折射面前端，前述LED器件的几何中心位于三维折射面的焦点位置。
2. 根据权利要求1所述的应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其特征在于LED器件为单芯片封装的大功率LED光源，光源功率大小1-20 W。
3. 根据权利要求1所述的应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其特征在于LED器件为多芯片封装的大功率LED光源，光源功率大小1-20W。
4.根据权利要求1所述的应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其特征在于所述的三维自由曲面出光面是由一条自由曲线与其所在平面正交平面上的另一条自由曲线扫描而成；三维全反射面和三维折射面均是由近似抛物线的曲线围绕镜体中轴线旋转形成的曲面；折射圆柱面是由切除拉伸特征所限定的旋转对称柱面表面，折射圆柱面与三维全反射面开口端相连接。
5.根据权利要求4所述的一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其特征在于该柱面的切除深度为10-20mm，切除半径为8-16mm，并由此限定了相应折射表面的孔径半径为8-16mm。
6.根据权利要求5所述的一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其特征在于三维全反射面的曲面线形与柱面切除深度和切除半径均相配合。
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