專利名稱：用于led光纖耦合光源的全反射配光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非成像LED照明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件。
背景技術(shù)：
LED光纖耦合光源是通過光纖把LED光源發(fā)出的光傳播到指定區(qū)域的一種裝置。光纖具有柔性傳播的特點(diǎn)，在理論上可以把光線傳播到任何地方，滿足了實(shí)際應(yīng)用的多元性，同時(shí)，光纖對光的傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了光電分離，這是一個(gè)質(zhì)的飛躍，不僅提高了安全性能，而且極大的拓寬了光纖照明光源的應(yīng)用領(lǐng)域，如生命科學(xué)、醫(yī)療應(yīng)用和機(jī)器視覺等領(lǐng)域。目前，由于單顆LED芯片的光通量較小，導(dǎo)致耦合后出光量不高，因此大多采用多顆LED芯片集成在一起作為光源，增大耦合光源的出光量。如圖1所示，LED光源在進(jìn)行光纖耦合時(shí)，首先采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡I對每顆LED芯片單獨(dú)進(jìn)行準(zhǔn)直配光，然后再采用一個(gè)大的耦合透鏡2對經(jīng)過準(zhǔn)直的多顆LED芯片進(jìn)行總體耦合，這種配光方式存在兩個(gè)問題 第一，采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡I進(jìn)行準(zhǔn)直，只能控制光源O發(fā)出的中心部分的光束，而大角度光束由于無法收集而造成浪費(fèi)，嚴(yán)重降低了光能利用率；第二，配光元件分為準(zhǔn)直透鏡I和耦合透鏡2，兩者需要相當(dāng)精確地配合，否則在裝調(diào)過程中容易產(chǎn)生嚴(yán)重誤差，增大裝調(diào)難度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有對LED光源進(jìn)行光纖耦合存在的光能利用率低、裝調(diào)難度大的問題，本發(fā)明提供一種用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件。本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，該配光元件采用機(jī)械一體化加工成型，包括呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布的N個(gè)全反射單元，每兩個(gè)全反射單元均通過平面密接，圓心處排布I個(gè)全反射單元，圓周處均勻分布剩余N-1個(gè)全反射單元，N=4、5、6、7或9，每兩個(gè)全反射單元之間的夾角均為360° / (N-1)；所述全反射單元包括外凸弧形的透射面；上邊緣與所述透射面邊緣密接的小圓柱面(3);上邊緣與所述小圓柱面下邊緣密接在一起的全反射面，所述透射面和全反射面均為旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面；所述全反射面下邊緣與平面的上端密接，每個(gè)全反射面均與6個(gè)平面密接；該透鏡還包括與所述平面的下端密接的外凹弧面；設(shè)置在所述外凹弧面中心處的大圓柱面；與所述大圓柱面下邊緣密接的圓弧面。當(dāng)所述N=7時(shí),7個(gè)全反射單元呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布，圓心處排布I個(gè)全反射單元，圓周處均勻分布6個(gè)全反射單元，每兩個(gè)全反射單元之間的夾角為60°。所述平面的上端為半圓弧形面，下端為柱形面。所述平面之間通過柱形面兩端邊緣密接。
所述平面之間的夾角為360° / (N_1)，N=4、5、6、7或9。
本發(fā)明的有益效果是:一、本發(fā)明采用由透射面4和全反射面5組成的全反射單元，能夠完全利用LED光源發(fā)出的所有光線，提高了光能利用率；二、本發(fā)明將準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)和配光單元融為一體，采用機(jī)械一體化加工成型，不需要對兩者進(jìn)行裝調(diào)，降低了裝調(diào)難度，同時(shí)塑成型加工方法，易于大批量、低成本加工；三、本發(fā)明中的每個(gè)LED光源發(fā)出的光都只經(jīng)過兩個(gè)透射面，減小了光線經(jīng)過多個(gè)透射面產(chǎn)生的菲涅爾損失，有利于減小光能損失，提高了光能利用率；四、本發(fā)明可將LED光源發(fā)出的光I禹合到8mm光纖中，f禹合效率高于50%。


圖1為現(xiàn)有對LED光纖耦合光源進(jìn)行耦合配光的結(jié)示意圖；圖2為本發(fā)明的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為全反射單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為全反射單元中的透射面4的設(shè)計(jì)原理圖；圖5為全反射單元中的全反射面5的設(shè)計(jì)原理圖；圖6為耦合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為7個(gè)全反射單元呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布的平面示意圖；圖8為本發(fā)明的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1、準(zhǔn)直透鏡，2、耦合透鏡，3、小圓柱面，4、透射面，5、全反射面，6、圓弧面，7、外凹弧面，8、大圓柱面，9、平面。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖2所示，本發(fā)明的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，采用機(jī)械一體化加工成型，該配光元件包括準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)和耦合結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)由N個(gè)全反射單元密接而成，N個(gè)全反射單元呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布，即圓心處排布I個(gè)全反射單元，其余N-1個(gè)全反射單元在圓周處均勻分布，每兩個(gè)全反射單元之間的夾角為360° / (N-1)，全反射單元的個(gè)數(shù)和排布方式與LED芯片一一對應(yīng)；全反射單元主要由透射面4和全反射面5組成，每個(gè)全反射單元包含一個(gè)由小圓柱面3和透射面4組成的底部容腔，一個(gè)全反射面5，每個(gè)LED芯片發(fā)出的光分別進(jìn)入與之對應(yīng)的全反射單元中，形成近平行光線進(jìn)入耦合結(jié)構(gòu)中，透射面4和全反射面5均為旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面，采用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，只要找到曲面上的點(diǎn)的切面方向與該點(diǎn)處出射光線和入射光線的關(guān)系，即可迭代求解出曲面上的各點(diǎn)，進(jìn)而得到透射面4和全反射面5的面型。如圖7所示，由7個(gè)全反射單元密接而成的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，7個(gè)全反射單元呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布，即圓心處排布I個(gè)全反射單元，其余6個(gè)全反射單元在圓周處均勻分布，每兩個(gè)全反射單元之間的夾角為60°。耦合結(jié)構(gòu)主要由弧面6和環(huán)弧面7組成，全反射單元的透射面4和全反射面5，耦合結(jié)構(gòu)的弧面6和環(huán)弧面7均采用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。假設(shè)本實(shí)施方式中的全反射配光元件所用材料的折射率為n，如圖4所示，透射面4的設(shè)計(jì)過程如下:僅考慮其平面結(jié)構(gòu)，立體結(jié)構(gòu)繞其中心對稱軸旋轉(zhuǎn)得到，設(shè)透射面4上某一曲線上的點(diǎn)P1的坐標(biāo)為(X1, Z1)，I1為入射光線I與X軸的夾角，α 為點(diǎn)P1處的切線T1與X軸的夾角，Θ。為透射面4所能控制的入射光線I與X軸的最大夾角,在點(diǎn)P1前取一AP1' (X1-Λ χ,ζ^Λζ)，其中Λ X，Λ ζ均為很小的量，可以認(rèn)為P/處的切向量與P1處的切向量相同，點(diǎn)P1可以看作是該點(diǎn)處入射光線I與點(diǎn)P/處的切線的交點(diǎn)，根據(jù)斯涅爾定律則有:
權(quán)利要求
1.用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，其特征在于，該配光元件采用機(jī)械一體化加工成型，包括呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布的N個(gè)全反射單元，每兩個(gè)全反射單元均通過平面(9)密接，圓心處排布I個(gè)全反射單元,圓周處均勻分布剩余N-1個(gè)全反射單元，N=4、5、6、7或9，每兩個(gè)全反射單元之間的夾角均為360° / (N-1)； 所述全反射單元包括外凸弧形的透射面(4);上邊緣與所述透射面(4)邊緣密接的小圓柱面(3);上邊緣與所述小圓柱面(3)下邊緣密接在一起的全反射面(5)，所述透射面(4)和全反射面(5)均為旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面； 所述全反射面(5 )下邊緣與平面(9 )的上端密接，每個(gè)全反射面(5 )均與6個(gè)平面(9 )密接； 該透鏡還包括與所述平面(9)的下端密接的外凹弧面(7);設(shè)置在所述外凹弧面(7)中心處的大圓柱面(8);與所述大圓柱面(8)下邊緣密接的圓弧面(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，其特征在于，當(dāng)所述N=7時(shí)，7個(gè)全反射單元呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布，圓心處排布I個(gè)全反射單元，圓周處均勻分布6個(gè)全反射單元，每兩個(gè)全反射單元之間的夾角為60°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，其特征在于，所述平面(9)的上端為半圓弧形面，下端為柱形面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，其特征在于，所述平面(9 )之間通過柱形面兩端邊緣密接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，其特征在于，所述平面(9)之間的夾角為360° / (N-1)，N=4、5、6、7或9。
全文摘要
用于LED光纖耦合光源的全反射配光元件，涉及非成像LED照明領(lǐng)域，該配光元件采用機(jī)械一體化加工成型，包括呈旋轉(zhuǎn)對稱式陣列排布的并通過平面密接在一起的N個(gè)全反射單元，圓心處排布1個(gè)全反射單元，圓周處均勻分布N-1個(gè)全反射單元，N=4、5、6、7或9；全反射單元包括外凸弧形的透射面；上邊緣與透射面邊緣密接的小圓柱面；上邊緣與小圓柱面下邊緣密接的呈錐形面的全反射面，透射面和全反射面均為旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面，全反射面下邊緣與平面密接，每個(gè)全反射面均與6個(gè)平面密接，還包括通過平面與全反射面密接的外凹弧面；在外凹弧面中心開有大圓柱面；與大圓柱面下邊緣密接的圓弧面。本發(fā)明光能利用率高，裝調(diào)難度低。
文檔編號F21V13/04GK103206673SQ20131009477
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者劉華, 王堯 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所