CN207486718U - 一种led准直聚光组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种LED准直聚光组件，包括LED芯片和依次设在LED出光通道上的准直透镜阵列、光学积分器件以及聚光镜，所述聚光镜与光学积分器件相邻的一面为入光面，相离的一面为出光面，所述聚光镜的出光面呈向外凸出的弧面结构；所述LED芯片所发出的光线经准直透镜阵列准直、光学积分器件匀光和聚光镜聚光后，从聚光镜的出光面射出的光束夹角为30°～60°。与现有技术相比，本实用新型具有能有效提高LED光学效率、结构简单、使用方便的有益效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及LED照明技术领域，更具体地，涉及一种LED准直聚光组件。
背景技术
由于 LED 相对于传统照明光源具有节能、环保、使用寿命长、反应速度快等优点，大功率 LED 照明技术引起了国内外光源界的普遍关注，已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。但由于LED的发光角度较大，为集中LED的发光光束，提高LED的远程射能，因此需要对LED所发出的光线进行准直。然而，现有技术中的 LED 准直透镜，大多存在着结构复杂、实现成本高、准直效果不理想的缺陷和不足，限制了其推广使用。对于阵列的每个 LED 光源使用分离且不同的准直器增加了光发光装置的尺寸、复杂性和成本，不符合要求。另外，由于较大折射角处的菲涅尔损耗和光束扩展，收集透镜的大角度折射减小了总的收集效率。因此 LED 发光装置中需要准直或聚焦光的透镜，减少发射器组装过程中的控制和调整，进而提高 LED 发光装置光学效率。
实用新型内容
为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种能有效提高LED光学效率、结构简单、使用方便的LED准直聚光组件。
为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种LED准直聚光组件，包括LED芯片和依次设在LED出光通道上的准直透镜阵列、光学积分器件以及聚光镜，所述聚光镜与光学积分器件相邻的一面为入光面，相离的一面为出光面，所述聚光镜的出光面呈向外凸出的弧面结构；所述LED芯片所发出的光线依次经过准直透镜阵列准直、光学积分器件匀光和聚光镜聚光后，从聚光镜的出光面射出的光束夹角为30°～60°。
本实用新型中，准直透镜阵列用于将LED所发出的光线进行准直，将原本向四周发散的光线聚集合拢，提高LED光学效率。光学积分器件为复眼透镜阵列。复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将复眼透镜阵列应用于LED中可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。聚光镜再将从光学积分器件射出的光线进行聚集合拢，提高光源效率。
因为光线经聚光镜出光面射出后，是先会聚在聚光镜的焦点附近，然后再发散。由于小于40°在第二焦点处形成的图案照明区域很大，除成像灯外产品不具竞争力，大于60°后续成像系统效率不高，因此限定从聚光镜的出光面射出的光束夹角为30°～60°之间，也即限定整个光源装置的发光角全角在30°～60°之间，从而限定整个系统出光口的聚光镜的F2数在1.0—1.6之间。
F2数即为光学系统的相对孔径的倒数，与聚光镜的焦距及聚光镜的口径的关系：F2=f/D，其中f为聚光镜的焦距，D为聚光镜的通光孔径，这里的F2数即为得到出光束在聚光镜出光面的角度。假设经聚光镜的光束夹角全角为2α，那么2α=30°～60°，聚光镜的出光面射出的光束夹角与聚光镜F2数的关系为：
得到的聚光镜的F2数在1.0—1.6之间。
进一步地，所述LED芯片所发出的光线经聚光镜的入光面进入，再经聚光镜的出光面射出后，聚焦于聚光镜的焦点上，形成一个有效尺寸小于聚光镜有效出光口径的六边形光斑。
聚光镜把经准直透镜准直后的光束重新聚焦于聚光镜的焦点上，形成一个有效尺寸小于聚光镜有效出光口径的均匀照明的六边形光斑，从而提高LED光学效率。
进一步地，所述聚光镜的入光面为向外凸出的弧面结构，且入光面向外凸出的弧度大于出光面向外凸出的弧度。
进一步地，所述准直透镜阵列至少包括2列，每列至少包括一片准直透镜，且依次分布于LED出光通道上；所述准直透镜按与LED芯片的距离从近到远依次分为第一准直透镜、第二准直透镜，依次类推，所述第一准直透镜的正面与LED芯片相邻，反面与LED芯片相离，所述第一准直透镜的正面为凹面结构且凹面结构的凹槽面向LED芯片；所述LED芯片包罩在凹面结构的下方。
进一步地，包括2列依次分布在LED出光通道上的准直透镜阵列，所述准直透镜阵列按与LED芯片的距离从近到远依次分为第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列，所述第二准直透镜的尺寸大于第一准直透镜的尺寸。
1片准直透镜收集的光线效率太低，太多准直透镜也会增加整个准直系统的体积和增加成本，因此较佳的选择是2到3片准直透镜。所述第一准直透镜的折射率高于第二准直透镜的折射率，所述第二准直透镜和第三准直透镜选用的材料为Pyrex材料、高硼硅玻璃或B270材料。
进一步地，所述准直透镜阵列的组合焦距范围是3-8mm，所述组合焦距与LED出光口径的比值范围为0.4-0.8，所述准直系统的后截距范围是0-3mm，所述LED芯片所发出的光线从准直透镜阵列发出的发光角在15°～32°之间。
准直透镜用于对LED芯片所发出的光线进行准直，使原本向四周发散的光线集中，提高单位面积内光束的光通量。关于两片准直透镜的组合焦距计算公式为：
其中，f'为两片准直透镜的组合焦距，f'1和f'2分别为两片镜片的焦距，d12为第一片准直透镜的像方主平面和第二片准直透镜物方主平面之间的距离。准直透镜组合焦距的范围限定了准直透镜的尺寸以及LED芯片的尺寸，从而筛选出更有利于提高光学效率的产品。
在限定组合焦距范围的基础上，限定组合焦距与出光口径的比值范围为0.4-0.8，即F数的范围在0.4-0.8之间，F数的定义为组合焦距f'与出光口径D的比值，即F= f'/D，f'表示系统的组合焦距，D为准直系统的出光口径。F数关乎到准直系统收集LED光线的效率，即对应于可以被准直系统收集LED光线的角度。假设θ为被准直系统收集LED光线的角度，则F数与θ之间的关系为：
由于准直系统收集LED光线的角度θ为90°时效果最佳，此时F数为0.5，因此限定F数的范围在0.4-0.8之间，从而进一步限定了准直系统收集LED光线的效率，大大提高了准直系统的光学利用率。
所述准直系统的后截距是指准直透镜最靠近LED芯片的一面离焦点的距离。由于LED芯片的面积在1mm2—10mm2的范围内得到的准直效率最佳，在保证准直效率的前提下，当焦距过长时，必使准直系统的出光口径增大，如此再扩展多LED阵列时，相应总的发光面积将会增大，即整个发光装置体积过大，而且制造成本偏高。当焦距较短时，同样的芯片尺寸，焦距越短，准直系统的准直效果不理想，即经准直后光线发散角仍比较大。因此在准直透镜同样的收集光线效率的前提下，适当控制后截距可降低成本。
本实用新型中，LED的发光角为150°～180°之间，经准直透镜系统准直后，LED发散角被缩小到15°～32°之间。
进一步地，所述LED芯片设在准直透镜的组合焦点或焦点的附近1mm范围内。
当LED芯片位于准直系统组合焦点的位置时，LED芯片所发出的光线经准直透镜后形成平行光或接近于平行光的光束发射；当LED芯片设于靠近准直透镜方向远离焦点时，会导致准直透镜射出光线的效果不理想，即准直后的光束发散角偏大；反之以相对远离准直透镜方向远离焦点时，会导致准直系统收集LED光线的发光角偏小，从而影响准直透镜系统的效率。因此LED芯片的位置最好设于准直透镜的组合焦点或焦点的附近1mm范围内。
进一步地，所述第一准直透镜的折射率高于第二准直透镜的折射率，所述第二准直透镜选用的材料为Pyrex材料、高硼硅玻璃或B270材料。
进一步地，包括若干组LED芯片，所述LED芯片呈阵列分布，且每组LED芯片与所述准直透镜阵列一一对应；每组LED芯片与呈阵列分布的前排或后排相邻两组LED芯片之间的位置关系呈等边三角形的关系，所述准直透镜与呈阵列分布的前排或后排相邻两组准直透镜之间的位置关系呈等边三角形的关系。
因为对于阵列排布的LED芯片，位于边角的LED芯片光学效率较低，将每组LED芯片设计成与呈阵列分布的前排或后排相邻两组LED芯片之间的位置关系呈等边三角形的关系，使得行与列之间的LED芯片成相互错开的方式，在保证散热前提下，剔除阵列边角上光学效率较低的LED芯片，此布局缩小了LED整体排布方式的总体尺寸，即缩小了总的发光面积，有利于减少光学扩展量，使得准直系统的光学效率更高。
进一步地，每两两相邻的LED芯片中心之间的间距为6-10mm，第二准直透镜阵列中相邻准直透镜的边缘之间无缝拼接。
与现有技术比较，本实用新型提供了一种有效提高LED光学效率、结构简单、使用方便的有益效果。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本本实用新型中LED芯片所发出的光线经过聚光镜后形成六边形光斑的示意图。
图3为本实用新型单个准直系统的结构示意图。
图4为本实用新型LED芯片从芯片发出光线的夹角与经过准直透镜后所形成夹角的示意图。
图5为本实用新型LED芯片阵列中行与列成错开排布的结构示意图。
图6为本实用新型LED芯片之间及准直透镜之间形成等边三角形的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1所示，一种LED准直聚光组件，包括LED芯片3和依次设在LED出光通道上的准直透镜阵列、光学积分器件4以及聚光镜5，所述聚光镜5与准直透镜阵列相邻的一面为入光面501，相离的一面为出光面502，所述聚光镜5的出光面502呈向外凸出的弧面结构；所述LED芯片3所发出的光线经准直透镜阵列准直、光学积分器件4匀光和聚光镜5聚光后，从聚光镜5的出光面502射出的光束夹角2α为30°～60°。
如图2所示，所述LED芯片3所发出的光线经聚光镜5的入光面501进入，再经聚光镜5的出光面502射出后，聚焦于聚光镜5的焦点上，形成一个有效尺寸小于聚光镜5有效出光口径的六边形光斑。
。本实施例中，光学积分器件4为复眼透镜阵列。所述聚光镜5的入光面501为向外凸出的弧面结构，且入光面501向外凸出的弧度大于出光面502向外凸出的弧度。
如图1所示，所述准直透镜阵列包括2列，且依次分布于LED出光通道上；所述准直透镜阵列按与LED芯片3的距离从近到远依次分为第一准直透镜阵列1、第二准直透镜阵列2，第一准直透镜阵列1上设有若干第一准直透镜，第二准直透镜阵列2上对应设有若干第二准直透镜。所述第一准直透镜的正面与LED芯片3相邻，反面与LED芯片3相离，所述第一准直透镜的正面为凹面结构且凹面结构的凹槽面向LED芯片3；所述LED芯片3包罩在凹面结构的下方。每两两相邻的LED芯片3中心之间的间距为6-10mm，第二准直透镜阵列2中相邻准直透镜的边缘之间无缝拼接。
因为光线经聚光镜5出光面502射出后，是先会聚在聚光镜5的焦点附近，然后再发散。由于小于40°在第二焦点处形成的图案照明区域很大，除成像灯外产品不具竞争力，大于60°后续成像系统效率不高，因此限定从聚光镜5的出光面502射出的光束夹角2α在30°～60°之间，也即限定整个光源装置的发光角全角在30°～60°之间，从而限定整个系统出光口的聚光镜的F2数在1.0—1.6之间。
F2数即为光学系统的相对孔径的倒数，与聚光镜5的焦距及聚光镜的口径的关系：F2=f/D，其中f为聚光镜5的焦距，D为聚光镜5的通光孔径，这里的F2数即为得到出光束在聚光镜5出光面502的角度。假设经聚光镜的光束夹角全角为2α，那么2α=30°～60°，聚光镜5的出光面502射出的光束夹角与聚光镜5的F2数的关系为：
得到的聚光镜5的F2数在1.0—1.6之间。
如图3所示，所述准直透镜阵列的组合焦距f'范围是3-8mm，所述组合焦距f'与LED出光口径的比值F范围为0.4-0.8，所述准直系统的后截距范围是0-3mm。所述LED芯片3设在准直透镜的组合焦点或焦点的附近1mm范围内。
准直透镜用于对LED芯片3所发出的光线进行准直，使原本向四周发散的光线集中，提高单位面积内光束的光通量。关于两片准直透镜的组合焦距f'计算公式为：
其中，f'为两片准直透镜的组合焦距，f'1和f'2分别为两片镜片的焦距，d12为第一片准直透镜1的像方主平面和第二片准直透镜2物方主平面之间的距离。准直透镜组合焦距f'的范围限定了准直透镜的尺寸以及LED芯片3的尺寸，从而筛选出更有利于提高光学效率的产品。
在限定组合焦距f'范围的基础上，限定组合焦距f'与出光口径的比值范围为0.4-0.8，即F数的范围在0.4-0.8之间，F数的定义为组合焦距f'与出光口径D的比值，即F= f'/D，f'表示系统的组合焦距，D为准直系统的出光口径。F数关乎到准直系统收集LED光线的效率，即对应于可以被准直系统收集LED光线的角度。假设θ为被准直系统收集LED光线的角度，则F数与θ之间的关系为：
由于准直系统收集LED光线的角度θ为90°时效果最佳，此时F数为0.5，因此限定F数的范围在0.4-0.8之间，从而进一步限定了准直系统收集LED光线的效率，大大提高了准直系统的光学利用率。
所述准直系统的后截距是指准直透镜靠近LED芯片3的一面离焦点的距离。由于LED芯片3的面积在1mm2—10mm2的范围内得到的准直效率最佳，在保证准直效率的前提下，当焦距过长时，必使准直系统的出光口径增大，如此再扩展多LED阵列时，相应总的发光面积将会增大，即整个发光装置体积过大，而且制造成本偏高。当焦距较短时，同样的芯片尺寸，焦距越短，准直系统的准直效果不理想，即经准直后光线发散角仍比较大。因此在准直透镜同样的收集光线效率的前提下，适当控制后截距可降低成本。
当LED芯片3位于准直系统组合焦点的位置时，LED芯片3所发出的光线经准直透镜后形成平行光或接近于平行光的光束发射；当LED芯片3设于靠近准直透镜方向远离焦点时，会导致准直透镜射出光线的效果不理想，即准直后的光束发散角偏大；反之以相对远离准直透镜方向远离焦点时，会导致准直系统收集LED光线的发光角偏小，从而影响准直透镜系统的效率。因此LED芯片3的位置最好设于准直透镜的组合焦点或焦点的附近1mm范围内。
如图4所示，LED的发光角为150°～180°之间，经准直透镜系统准直后，LED发散角被缩小到15°～32°之间。
如图5和图6所示，包括若干组LED芯片3，所述LED芯片3呈阵列分布，且每组LED芯片3与所述准直透镜阵列一一对应；每组LED芯片3与呈阵列分布的前排或后排相邻两组LED芯片3之间的位置关系呈等边三角形的关系，所述准直透镜与呈阵列分布的前排或后排相邻两组准直透镜之间的位置关系呈等边三角形的关系。
因为对于阵列排布的LED芯片3，位于边角的LED芯片3光学效率较低，将每组LED芯片3设计成与呈阵列分布的前排或后排相邻两组LED芯片3之间的位置关系呈等边三角形的关系，使得行与列之间的LED芯片3成相互错开的方式，在保证散热前提下，剔除阵列边角上光学效率较低的LED芯片3，此布局缩小了LED整体排布方式的总体尺寸，即缩小了总的发光面积，有利于减少光学扩展量，使得准直系统的光学效率更高。
Claims (10)
1.一种LED准直聚光组件，其特征在于，包括LED芯片和依次设在LED出光通道上的准直透镜阵列、光学积分器件以及聚光镜，所述聚光镜与光学积分器件相邻的一面为入光面，相离的一面为出光面，所述聚光镜的出光面呈向外凸出的弧面结构；所述LED芯片所发出的光线依次经过准直透镜阵列准直、光学积分器件匀光和聚光镜聚光后，从聚光镜的出光面射出的光束夹角为30°～60°。
2.根据权利要求1所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，所述LED芯片所发出的光线经聚光镜的入光面进入，再经聚光镜的出光面射出，聚焦于聚光镜的焦点上，形成一个有效尺寸小于聚光镜有效出光口径的六边形光斑。
3.根据权利要求1所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，所述聚光镜的入光面为向外凸出的弧面结构，且入光面向外凸出的弧度大于出光面向外凸出的弧度。
4.根据权利要求1所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，所述准直透镜阵列至少包括2列，每列至少包括一片准直透镜，且依次分布于LED出光通道上；所述准直透镜按与LED芯片的距离从近到远依次分为第一准直透镜、第二准直透镜，依次类推，所述第一准直透镜的正面与LED芯片相邻，反面与LED芯片相离，所述第一准直透镜的正面为凹面结构且凹面结构的凹槽面向LED芯片；所述LED芯片包罩在凹面结构的下方。
5.根据权利要求4所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，包括2列依次分布在LED出光通道上的准直透镜阵列，所述准直透镜阵列按与LED芯片的距离从近到远依次分为第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列，所述第二准直透镜的尺寸大于第一准直透镜的尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，所述准直透镜阵列的组合焦距范围是3-8mm，所述组合焦距与LED出光口径的比值范围为0.4-0.8，所述准直系统的后截距范围是0-3mm，所述LED芯片所发出的光线从准直透镜阵列发出的发光角在15°～32°之间。
7.根据权利要求5所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，所述LED芯片设在准直透镜的组合焦点或焦点的附近1mm范围内。
8.根据权利要求5所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，所述第一准直透镜的折射率高于第二准直透镜的折射率，所述第二准直透镜选用的材料为Pyrex材料、高硼硅玻璃或B270材料。
9.根据权利要求5所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，包括若干组LED芯片，所述LED芯片呈阵列分布，且每组LED芯片与所述准直透镜阵列一一对应；每组LED芯片与呈阵列分布的前排或后排相邻两组LED芯片之间的位置关系呈等边三角形的关系，所述准直透镜与呈阵列分布的前排或后排相邻两组准直透镜之间的位置关系呈等边三角形的关系。
10.根据权利要求9所述的一种LED准直聚光组件，其特征在于，每两两相邻的LED芯片中心之间的间距为6-10mm，第二准直透镜阵列中相邻准直透镜的边缘之间无缝拼接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2020052235A1 (zh) * | 2018-09-12 | 2020-03-19 | 广州光联电子科技有限公司 | 一种透镜阵列的拼接结构 |
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