CN207486719U - 一种led准直透镜及其准直系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种LED准直透镜及其准直系统，包括LED芯片和2片以上依次设在LED出光通道上的准直透镜，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；所述第一准直透镜靠近LED芯片的一面为入光面，与LED芯片相离的一面为出光面，所述第一准直透镜的入光面为凹面结构且凹面结构的凹槽槽口面向LED芯片。与现有技术比较，本实用新型具有准直光学效率高、结构简单、使用方便的有益效果。

Description

一种LED准直透镜及其准直系统

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准直透镜及其准直系统。

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准直透镜及其准直系统。

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准直透镜及其准直系统，包括LED芯片和2片以上依次设在LED出光通道上的准直透镜，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；所述第一准直透镜靠近LED芯片的一面为入光面，与LED芯片相离的一面为出光面，所述第一准直透镜的入光面为凹面结构且凹面结构的凹槽槽口面向LED芯片。

现有技术中，第一准直透镜的入光面一般为平面结构，平面结构接收LED所发出的光线时容易出现折射，且第一准直透镜设计成平面结构，其体积也比较大。将第一准直透镜的入光面设计为凹面结构，LED芯片所发出的光线全部包罩在凹面结构内，提高了LED的光学效率。

进一步地，所述LED芯片包罩在凹面结构的下方。

第一准直透镜与LED芯片相邻的一面为凹面结构，对LED芯片形成包罩的位置关系，从而使LED芯片所发出的光线更好地被第一准直透镜接收，提高准直系统的光学利用率。

进一步地，所述准直透镜的组合焦距范围是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系统发出的发光角在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，包括2片或3片依次分布在LED出光通道上的准直透镜，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、第二准直透镜和第三准直透镜，所述第一准直透镜、第二准直透镜和第三准直透镜的尺寸依次增大。

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。

进一步地，所述第二和第三准直透镜为平凸透镜。

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的范围内。

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，包括若干组LED芯片，所述LED芯片呈阵列分布，且所述准直透镜与LED芯片一一对应矩阵排布。

进一步地，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，每两两相邻的准直透镜光轴中心之间的间距为6-10mm，第二准直透镜和第三准直透镜与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准直光学效率高、结构简单、使用方便的LED准直透镜及其准直系统。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为现有技术中第一准直透镜的入光面为平面结构的示意图。

图3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4为本实用新型LED芯片与准直透镜呈阵列分布的结构示意图。

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准直透镜及其准直系统，包括LED芯片3和2片依次设在LED出光通道上的准直透镜，所述准直透镜按与LED芯片3的距离从近到远依次分为第一准直透镜1和第二准直透镜2，所述第一准直透镜1靠近LED芯片3的一面为入光面，与LED芯片3相离的一面为出光面，所述第一准直透镜的入光面为凹面结构且凹面结构的凹槽槽口面向LED芯片3。所述LED芯片包罩在凹面结构的下方。所述第一准直透镜1和第二准直透镜2的尺寸依次增大。所述第二准直透镜为平凸透镜。

如图2所示，现有技术中，第一准直透镜1的入光面一般为平面结构，平面结构接收LED所发出的光线时容易出现折射，且第一准直透镜1设计成平面结构，其体积也比较大。

如图1所示，将第一准直透镜1的入光面设计为凹面结构，LED芯片3所发出的光线全部包罩在凹面结构内，提高了LED的光学效率。第一准直透镜1与LED芯片3相邻的一面为凹面结构，对LED芯片3形成包罩的位置关系，从而使LED芯片3所发出的光线更好地被第一准直透镜1接收，提高准直系统的光学利用率。

如图1所示，所述准直透镜的组合焦距f'范围是3-8mm，所述组合焦距f'与LED出光口径D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芯片设在准直透镜的组合焦点或焦点的附近1mm的范围内。

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D的比值F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。

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。

如图3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4所示，包括若干组LED芯片3，所述LED芯片3呈阵列分布，且所述准直透镜与LED芯片3一一对应矩阵排布。每两两相邻的准直透镜光轴中心之间的间距为6-10mm，第二准直透镜2与相邻准直透镜的边缘之间无缝拼接。

如图5和图6所示 ，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准直透镜及其准直系统，其特征在于，包括LED芯片和2片以上依次设在LED出光通道上的准直透镜，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；所述第一准直透镜靠近LED芯片的一面为入光面，与LED芯片相离的一面为出光面，所述第一准直透镜的入光面为凹面结构且凹面结构的凹槽槽口面向LED芯片。

2.根据权利要求1所述的一种LED准直透镜及其准直系统，其特征在于，所述LED芯片包罩在凹面结构的下方。

3.根据权利要求1所述的一种LED准直透镜及其准直系统，其特征在于，所述准直透镜的组合焦距范围是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系统发出的发光角在15°～32°之间。

4.根据权利要求3所述的一种LED准直透镜及其准直系统，其特征在于，包括2片或3片依次分布在LED出光通道上的准直透镜，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、第二准直透镜和第三准直透镜，所述第一准直透镜、第二准直透镜和第三准直透镜的尺寸依次增大。

5.根据权利要求4所述的一种LED准直透镜及其准直系统，其特征在于，所述第二和第三准直透镜为平凸透镜。

6.根据权利要求4所述的一种LED准直透镜及其准直系统，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的范围内。

7.根据权利要求4所述的一种LED准直透镜及其准直系统，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。

8.根据权利要求1所述的一种LED准直透镜及其准直系统，其特征在于，包括若干组LED芯片，所述LED芯片呈阵列分布，且所述准直透镜与LED芯片一一对应矩阵排布。

9.根据权利要求8所述的一种LED准直透镜及其准直系统，其特征在于，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准直透镜及其准直系统，其特征在于，每两两相邻的准直透镜光轴中心之间的间距为6-10mm，第二准直透镜和第三准直透镜与相邻准直透镜的边缘之间无缝拼接。