CN203202741U - 窄光束led照明光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种窄光束LED照明光学系统，包括COB型LED光源、自由曲面透镜以及自由曲面反射杯；自由曲面透镜设置在自由曲面反射杯的内部杯底并与自由曲面反射杯相连，COB型LED光源设置在自由曲面反射杯的内部杯底与自由曲面透镜的内腔所围成的空间之内，以自由曲面透镜和自由曲面反射杯对COB型LED光源发出的光进行区域化互补控制。本实用新型结合透镜和反射杯的各自优点，克服了单纯用反射杯或者透镜无法利用所有光线的缺点。并运用菲涅尔透镜将小角度光线汇聚，使光学系统达到轻、薄和小的效果，减小透镜中心厚度，提高光效率；同时，将阶梯状微结构透镜运用于透镜内侧面，实现同一套光学系统适用于不同尺寸大小的COB型光源。

Description

窄光束LED照明光学系统

技术领域

本实用新型涉及LED照明光学系统，尤其涉及一种用于多芯片集成式高功率LED（COB型LED）的二次光学系统，属于非成像光学技术领域。

背景技术

LED光源本身是一个近似的朗伯光源，难以满足各种照明用途的需求，因此必须根据不同的应用场合，针对LED光源设计不同的光学系统，对LED光源发出的光进行整形，进行光能量的二次分布。

随着电路板上直接芯片封装（COB）技术的发展，其高功率密度、色度均匀及体积小等特点，使COB型LED光源越来越多的应用到商业照明中。COB型LED光源面积较单颗LED光源大很多，将数十颗LED芯片集成封装时，光源面积能达到10mm*10mm到25mm*25mm，该光源的优势在于大大降低了LED光源的数量，减小了灯具面积，降低灯具成本，较低的色容差使应用灯具具有较好的颜色一致性。

然而，面向COB型光源的二次光学设计却较为困难。目前大多数专利的设计方法均基于近似点光源的设计，而COB型LED属于扩展光源，点光源设计方法不再适用于COB型LED。

目前采用的光学系统多为反射杯，但其控制光线的能力有限，对于小角度的光线无法进行很好的控制，想要达到小角度精确照明的配光效果，往往需要较大的体积，且容易产生杂散光，使得接收面功能区域的相对光利用率较低。

面向单颗LED的小型TIR（total internal reflection）透镜可以较好的完成窄光束配光要求，但当其应用于COB型LED光源时，出光效果会产生严重畸变。而普通透镜通常只能对LED光源发出的与其光轴成一定角度以内的光线调整方向，无法控制大角度的光线，也存在接收面功能区域的相对光利用率较低的问题。

因此，如何解决COB型LED光源配光难的问题，实现窄光束精确照明的功能及其设计方法，是LED照明技术领域，尤其是用于商业照明领域亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种针对COB型LED光源的光能量进行合理分配的窄光束LED照明光学系统。

本实用新型要解决的技术问题在于，针对如何提高LED灯具的光能利用率，提供一种以COB型LED为光源的配光系统，实现小角度的重点照明，并且实现照明区域较高的光度均匀性和色度均匀性的效果。主要解决原有传统反射器式或透镜式光学系统的缺陷与不足。

本实用新型的技术方案如下：

一种窄光束LED照明光学系统，包括COB型LED光源、自由曲面透镜以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透镜设置在自由曲面反射杯的内部杯底并与自由曲面反射杯相连，所述COB型LED光源设置在自由曲面反射杯的内部杯底与自由曲面透镜的内腔所围成的空间之内。

所述COB型LED光源发出的0度至α度的光线透过自由曲面透镜顶部，均匀分布在β度以内；所述COB型LED光源发出的α度到90度的光线透过自由曲面透镜侧壁，经过自由曲面反射杯内表面反射，分布在照明区域内。

所述自由曲面透镜包括透镜顶部、透镜侧壁和透镜底部。

所述透镜顶部由内表面和外表面组成；所述透镜顶部内表面是球面、上凹或下凸的自由曲面，所述透镜顶部外表面是上凸或下凹的自由曲面。

所述透镜顶部外表面制成菲涅尔透镜。

所述透镜侧壁由内侧壁和外侧壁组成；所述透镜内侧壁是普通圆柱形内腔面或阶梯状圆柱形内腔面，所述透镜外侧壁是球面或自由曲面。

所述透镜底部圆直径与COB型LED光源发光区域直径D相对应，为普通圆柱形内腔或阶梯状圆柱形内腔。

所述自由曲面反射杯的内表面为镀层处理。

所述自由曲面反射杯的内表面为鳞甲结构，所述鳞甲高度不高于0.05mm。

本实用新型的有益技术效果是：

本实用新型结合透镜和反射杯的各自优点，克服了单纯用反射杯或者透镜无法利用所有光线的缺点。运用菲涅尔透镜将小角度光线汇聚，使光学系统达到轻、薄和小的效果，减小透镜中心厚度，提高光效率。阶梯状微结构透镜运用于透镜内侧面，实现同一套光学系统适用于不同尺寸大小的COB型光源。

本实用新型附加的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是本实用新型光学系统的结构示意图。

图2是透镜自由曲面的生成过程图。

图3是反射杯自由曲面的生成过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本实用新型的光学系统由COB型LED光源1、自由曲面透镜2、自由曲面反射杯3三部分构成。自由曲面透镜2和自由曲面反射杯3对COB型LED光源1发出的光进行区域化控制。

在图1所示的实施例中，自由曲面透镜2设置在自由曲面反射杯3的内部杯底并与自由曲面反射杯3相连。COB型LED光源1设置在自由曲面反射杯3的内部杯底与自由曲面透镜2的内腔所围成的空间之内。

其中，COB型LED光源1采用市售的大功率型（10W～60W）光源，发光面较大，发光面直径的选择范围为10mm～25mm。

自由曲面透镜2的功能为：将COB型LED光源1发出的0度-α度（α通常取45度）的光线均匀分布在β度以内，根据相应的COB型LED光源1发光区域直径D，结合边缘光线理论，设计出尺寸合理的自由曲面透镜2。

自由曲面透镜2包含三部分，透镜顶部、透镜侧壁和透镜底部。

透镜顶部由内外两个自由曲面组成。透镜顶部内表面可以是球面、上凹或下凸的自由曲面，透镜顶部外表面可以是上凸或下凹的自由曲面。

透镜顶部外表面可以做成菲涅尔透镜，减小透镜厚度，提高照射区域中心光强的同时，节省了材料。

透镜内侧壁可以是普通圆柱形内腔面，也可以是阶梯状圆柱形内腔面，透镜外侧壁是球面或者自由曲面。

透镜底部圆直径大小可调，根据COB型LED光源1发光区域直径D大小，选择普通圆柱形内腔或阶梯状圆柱形内腔。

自由曲面反射杯3的功能为：控制COB型LED光源1发出的大角度光线，即α度到90度的光线透过自由曲面透镜2侧面，再经过自由曲面反射杯3内侧反射，根据照明距离，将大角度的出射光线控制在所要求大小的照明区域内。

自由曲面反射杯3的内表面为镀层处理，实现镜面发射，为解决眩光问题，将微结构（如鳞甲结构）作用于反射杯内侧，鳞甲高度不高于0.05mm。

本实用新型的主旨思想是将COB型LED光源1发出的光分区域设计，小角度的光由自由曲面透镜2控制，大角度的光由自由曲面反射杯3控制。图1中的实施例是本实用新型的一种可行结构，但本实用新型不限于上述结构。

自由曲面透镜2能较好的控制偏离光轴的小角度光线，但当入射光线的角度大于临界角时，将产生全发射，这种局限性使得自由曲面透镜2光学效率降低；相反，自由曲面反射杯3能较好的控制偏离光轴的大角度光线，对小角度光线却无法精确控制。

自由曲面透镜2与自由曲面反射杯3互补的特性是本实用新型的思想来源。本实用新型提出的照明系统能应用于多种LED灯具，如LED投射灯、LED工矿灯、LED筒灯等。

在上述照明系统中，要实现窄光束的LED照明，要对自由曲面透镜2的透镜顶部外表面，以及自由曲面反射杯3的曲线进行合理的设计。下面给出自由曲面透镜2的透镜顶部外表面，以及自由曲面反射杯3的一种设计方法（或生成方法）。其余诸如自由曲面透镜2的透镜顶部内表面、透镜侧壁以及透镜底部的设计则可遵循现有技术。

透镜自由曲面的生成方法如下：

如图2所示，以光源所在平面为x轴，中垂线为y轴建立坐标系，以光源中心为原点。设扩展光源半径为R，面1和面2分别为透镜顶部的内外表面，确定自由曲面步骤如下：

1）设H为LED光源左边缘R_l的光线与y轴交点，坐标为（0,H）。

2）根据光源尺寸D（D=2R），适当取第一次折射光线上的某一点X₀作为透镜外表面曲线的起始点，并使X₀点处的法线

竖直向上。

3）根据光学扩展量守恒式

$2n\×D=\underset{-\mathrm{\β}}{\overset{\mathrm{\β}}{\∫}}\mathrm{Ld\β}$

求出投射宽度L。

其中，D为光源直径，β为出射光线与y轴夹角，n为光学材料的折射率。

4）直线a为R_l出射光线，取与其距离L的直线b作为光源边缘R_r的出射光线，直线b上适当取一点Y₀。

5）根据折射定律矢量形式

可求出Y₀点得法线方向

其中

和分别为出射和入射光线单位矢量，

为界面法线单位矢量。

6）根据X₀，Y₀的坐标以及它们的法线方向

和插值一条连续曲线（通常取三次曲线），使之通过X₀和Y₀，同时在这两点满足法线方向

和

由此可以拟定一条连续曲线X₀Y₀作为计算起始曲线。

7）将初始曲线划分n小段，得到曲线上的n+1点，分别为X₀～X_n，对应未知曲线的点Y₀～Y_n。

8）取X₀较近一点X₁，出射光线为直线c，把距直线c为L的直线d作为R_r经透镜折射后的另一条光线。计算出直线d与Y₀点得切线的交点（即Y₁），根据折射定律矢量形式计算出Y₁点得法线方向。同样根据X₁，Y₁的坐标以及它们的法线方向，插值三次曲线。

9）取X₁较近一点X₂，依次类推计算，可以计算机迭代计算，使用同步多曲面法计算剩下的点，直到α的范围在40°～45°为止（角度可根据实际情况进行微调），最终得到透镜截面曲线。

在计算允许的情况下，初始曲线上点的数量选的越多，模型准确度越高。

经透镜侧面出射的大角度光线由反射杯控制。

反射杯自由曲面的生成方法如下：如图3所示，

1）先确定一段初始线段A₁B₁（其中A₁的坐标是根据具体的应用一开始就确定的），从与y轴夹角最大光线开始考虑。这一簇光线对应屏幕上的起始点为r₁，初始入射光线R_lA₁经过反射到达r₁。可根据边缘光线理论，R_r发出的某一条光线入射到初始曲线端点B₁也会被反射到r₁，则曲线段A₁B₁是以R_r和r₁为两个焦点椭圆的部分曲线。角θ_r、角θ₁分别为出射光线A_nr_n、B_nr_n与光轴y的夹角。

2）设光源亮度为B，而发出与y轴夹角较小而直接照射在屏幕上而产生的照度可由

E(r)=∫B·cosθ·dθ=BΩ得到。

角A₁r₁B₁的大小由r₁的照度决定。出射光线A₁r₁与y轴的夹角θ_r可由A₁的坐标确定，r₁接受到的照度可由光源直接照射的能量减去反射器反射的能量得到，即

E_r=E-BΩ=B(sinθ_r-sinθ₁)

可求得出射光线B₁r₁与y轴的夹角θ₁，并可得到B₁点的坐标，初始曲线A₁B₁方程即可确定。

3）从R_l点发出与y轴夹角稍小的光线，入射到曲线A₁B₁上的A₂点，从曲线方程上可求出A₂的坐标以及其法向量

由反射定律可得到其反射光线，设反射光线入射到屏幕上的点为r₂，出射光线A₂r₂与y轴的夹角θ_r可确定。由光通量守恒可求得出射光线B₂r₂与y轴的夹角θ₁，即可确定r₂光线接收锥的另外一个边界的光线，其与B₁点的切线交于B₂，可作为新的曲线点。

4）光源从边缘R_r发出的光线R_rB₂经反射的反射光线为B₂r₂，根据反射定律，B₂的坐标和法向量也可确定。反射器A₁B₂的轮廓可以确定，再考虑由R_r点发出的与y轴夹角更小的光线，重复以上步骤，轮廓线将不断扩展，直至达到所要求的边界为止。

此设计方法可根据光源大小来设定边缘光线点的坐标，并可根据需求多远的照射面来确定照明区域的大小，并且可以与透镜控制的较小角度光线进行完美的重合。由于反射器的曲线方程是有各个反射点确定的，范围变动性可调，能够较好对大角度出射的光线进行收光。

具体实施方式：

下面给出上述设计方法的一个具体实施例。

1）确定光源尺寸参数D的大小（D可取10mm～25mm），确定透镜高度H的大小（20mm<H<30mm），确定分光角度α的大小（40°<α<45°），确定出光角度β的大小（4°<β<9°）。

2）根据光学扩展两守恒式

计算出投射宽度L。

3）在面2上取一点X₀作为透镜外表面曲线的起始点，并使X₀点处的法线

竖直向上，出射光线角度为β，根据距离L和β的大小确定Y₀点位置。根据折射定律矢量形式

求出Y₀点法线方向

4）拟定一条连续曲线X₀Y₀作为计算起始曲线，将曲线划分n小段，得到曲线上得n+1点，分别为X₀～X_n,对应未知曲线的点Y₀～Y_n。

5）取X₀较近一点X₁，出射光线角度为β，根据L和β的大小确定Y₁点位置。同样根据折射定律矢量形式计算出Y₁点法线方向，插值曲线。

6）取较近一点，依次类推计算，可以计算机迭代计算，使用同步多曲面法计算剩下的点，直到α=45°为止，最终得到透镜截面曲线。

7）将计算得到的离散点导入到机械建模软件（如：Rhinoceros、UG等）中，连接成一条自由曲线，对称旋转得到透镜实体模型。

8）为节省材料，提高中心光强，不改变透镜顶部曲率，将透镜顶部外表面采用菲涅尔透镜。

9）确定照射距离S=1.2m，根据β的大小，确定目标面上的照明范围半径r_max大小，r_max=S×tanβ。

10）确定一段初始线段A₁B₁，初始入射光线R_lA₁经过反射到达r₁，根据边缘光线理论，R_r发出的某一条光线入射到初始曲线B₁也会被反射到r₁。

11）设光源亮度为B，在屏幕上而产生的照度计算如下：

E(r)=∫B·cosθ·dθ=BΩ

r₁接受到的照度可由光源透过透镜后照射的能量减去反射器反射的能量得到，即

E_r=E-BΩ=B(sinθ_r-sinθ₁)

可求出角θ₁和B₁点的坐标，确定曲线方程A₁B₁。

12）从R_l点发出与y轴夹角稍小的光线，入射到曲线A₁B₁上的A₂点，由曲线方程A₁B₁求出A₂的坐标以及其法向量

由反射定律得到其反射光线，对应屏幕上的点为r₂，确定A₂r₂与y轴的夹角θ_r的大小。由光通量守恒可求出θ₁，即可确定r₂光线接收锥的另外一个边界的光线，其与B₁点的切线交于B₂，作为新的曲线点。

13）从光源边缘R_r发出的光线R_rB₂经反射的反射光线为B₂r₂，根据反射定律，B₂的坐标和法向量也可确定。反射器A₁B₂的轮廓可以确定，再考虑由R_r点发出的与y轴夹角更小的光线，重复以上步骤，轮廓线将不断扩展，直到与y轴夹角减小为45度停止，得到最终的反射杯曲线。

14）将计算得到的反射杯曲线对称旋转得到反射杯实体模型。

15）为改善出光效果，在不改变反射杯曲率的情况下，将鳞甲结构作用于反射杯内侧面。

16）透镜模型与反射杯模型结合，得到最终的LED照明光学系统，如图1所示。

17）采用直径15mm的COB型LED光源，运用得到的LED配光系统，最终在照明距离S=1.2m处，形成30cm～40cm左右的均匀光斑。半光强出光全角为16度，中心光强达7500cd/klm。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种窄光束LED照明光学系统，其特征在于：包括COB型LED光源、自由曲面透镜以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透镜设置在自由曲面反射杯的内部杯底并与自由曲面反射杯相连，所述COB型LED光源设置在自由曲面反射杯的内部杯底与自由曲面透镜的内腔所围成的空间之内。

2.根据权利要求1所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述COB型LED光源发出的0度至α度的光线透过自由曲面透镜顶部，均匀分布在β度以内；所述COB型LED光源发出的α度到90度的光线透过自由曲面透镜侧壁，经过自由曲面反射杯内表面反射，分布在照明区域内。

3.根据权利要求1或2所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述自由曲面透镜包括透镜顶部、透镜侧壁和透镜底部。

4.根据权利要求3所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述透镜顶部由内表面和外表面组成；所述透镜顶部内表面是球面、上凹或下凸的自由曲面，所述透镜顶部外表面是上凸或下凹的自由曲面。

5.根据权利要求4所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述透镜顶部外表面制成菲涅尔透镜。

6.根据权利要求3所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述透镜侧壁由内侧壁和外侧壁组成；所述透镜内侧壁是普通圆柱形内腔面或阶梯状圆柱形内腔面，所述透镜外侧壁是球面或自由曲面。

7.根据权利要求3所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述透镜底部圆直径与COB型LED光源发光区域直径D相对应，为普通圆柱形内腔或阶梯状圆柱形内腔。

8.根据权利要求1或2所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述自由曲面反射杯的内表面为镀层处理。

9.根据权利要求8所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于：所述自由曲面反射杯的内表面为鳞甲结构，所述鳞甲高度不高于0.05mm。

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