一種理論無損光效的led光全反射準直系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學【技術領域】，具體為一種理論無損光效的LED光全反射的準直系統(tǒng)。該準直系統(tǒng)由光源白光LED模組、改進的橢球面反射器、改進的第一拋物面反射器、改進的第二拋物面反射器組成；光源幾何中心置于橢球面反射器的第一焦點處，第一拋物面反射器位于橢球面反射器上方，第二拋物面反射器位于改進的第一拋物面反射器的上方；由光源出射的一部分角內光束經(jīng)過橢球面反射器會聚到其第二焦點處，再經(jīng)第一拋物面反射器準直出射，光源出射的另一部分角內光束經(jīng)過第二拋物面反射器準直出射，第一拋物面反射器和第二拋物面反射器的出射光束的主光軸平行，且同時平行于光源的主光線，形成理論無損效率的高效LED光全反射的準直系統(tǒng)。
【專利說明】一種理論無損光效的LED光全反射準直系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學【技術領域】，具體涉及一種對LED光源的出射光線進行準直并且提供高光能利用效率的光學系統(tǒng)。
技術背景
[0002]目前市場上出現(xiàn)的LED光源多是近朗伯體發(fā)光的近似點光源或面光源，具有單面發(fā)光、發(fā)光半角大的特點。為了便于光學系統(tǒng)對LED光能的利用，一般需要對LED的出射光線進行預準直，而目前針對LED光源的光學準直系統(tǒng)主要可分為三大類結構:第一類利用光學透鏡組對LED光源中心附近出射光線進行準直，而大角度光線散失；第二類是TIR (全內反射)透鏡，利用計算得到的自由曲面透鏡對中心光線兩次折射進行準直，對邊緣大角度出射的光線先通過透鏡內的全內反射，再經(jīng)過透鏡表面的第二次折射進行準直；第三類結合了光學透鏡和光學反射器，對大角度出射的光線利用反射器進行反射準直，對中心出射的光線利用透鏡組透射準直。
[0003]現(xiàn)行針對LED光線的光學準直系統(tǒng)存在如下主要問題:1、對LED光源中心出射光線的準直離不開透鏡，但是透鏡對光能量的損耗一般高于反射器對光能的損耗，這就限制了此類光學準直系統(tǒng)效率提升的空間；2、由于LED發(fā)光半角大的特點，此類光學準直系統(tǒng)往往不能完全收集出射光線，使得一部分光線散失，導致了光能的損耗。

【發(fā)明內容】

[0004]針對上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于LED光源的理論無損光效的光全反射光學準直系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明提供的理論無損光效的LED光全反射光學準直系統(tǒng)，是使用單科或多顆高功率白光LED模組作為光源，通過改進的橢球面反射器，改進的第一拋物面反射器和改進的第二拋物面反射器實現(xiàn)光線理論100%效率的收集并對所有光線進行準直。
[0006]本發(fā)明提供的基于LED光源的理論無損光效的光全反射光學準直系統(tǒng)，包括:白光LED模組、改進的橢球面反射器、改進的第一拋物面反射器和改進的第二拋物面反射器；其中，所述白光LED模組幾何中心位于改進的橢球面反射器的第一焦點處；所述改進的第一拋物面反射器位于改進的橢球面反射器左上方，且改進的第一拋物面反射器的焦點與改進的橢球面反射器的第二焦點重合；所述改進的第二拋物面反射器位于改進的第一拋物面反射器的上方，且改進的第二拋物面反射器的焦點與LED光源幾何中心位置重合；由LED光源出射的一部分α角內光束經(jīng)過改進的橢球面反射器會聚到其第二焦點處，再經(jīng)改進的第一拋物面反射器準直出射，由LED光源出射的另一部分β角內光束經(jīng)過改進的第二拋物面反射器準直出射，改進的第一拋物面反射器和改進的第二拋物面反射器的出射光束的主光軸平行，且同時平行于LED光源的主光線，以保證經(jīng)它們反射后的光線按同一水平方向準直出射。0°<α <180°,0°<β <180°,且 α+β=1800。
[0007]一般LED是朗伯輻射體分布的光源，經(jīng)過LED發(fā)光面幾何中心法線的子午面(紙面內)內的發(fā)光角度是180度，本發(fā)明的LED光源模組發(fā)出的光束，在其面內有一部分光先經(jīng)過改進的橢球面反射器，光束會聚到改進的橢球面第二焦點處，由于改進的橢球面反射器第二焦點與改進的第一拋物面焦點重合，這部分光經(jīng)過改進的第一拋物面準直出射，這個角度就是α角；另外一部分光束沒有經(jīng)過改進的橢球面反射器，由LED光源模組直接入射到改進的第二拋物面表面，由于LED光源模組的幾何中心與第二拋物面焦點重合，這部分光就經(jīng)過改進的第二拋物面準直出射，這個角度就是β角。
[0008]LED光源是一組模組光源,發(fā)光面積有一定的大小,如果其發(fā)光面積大小小于其光ED光源是一組模組光源,發(fā)光面積有一定的大小,如果其發(fā)光面積大小小于其光傳播過程中反射面有效通光孔徑的1/10，可以認為LED光源近似為點光源，這時的橢球面反射器的反射面就是標準的橢球面，第一拋物面反射器和第二拋物面反射器的反射面就是標準的拋物面；如果其發(fā)光面積大小大于其光傳播過程中反射面有效通光孔徑的1/10，LED光源就是一個擴展的光源，這時把擴展的LED光源認為是多個點光源組成的光源，LED光源只有位于焦點處的那部分光束才按照理想的光束傳播，也就是從橢球面第一焦點的發(fā)出的光束經(jīng)橢球面反射會聚到橢球面的第二焦點，從拋物面焦點處發(fā)出的光束經(jīng)拋物面反射準直出射，組成擴展的LED光源的其它點光源由于處于離焦位置，對于從橢球面第一焦點附近的出射光束經(jīng)橢球面反射就不會會聚到第二焦點處，對于從拋物面焦點附近的出射光束經(jīng)拋物面反射就不會準直出射。
[0009]所以，對于擴展的LED光源，認為是多個點光源組成的光源，處于焦點以外的點光源經(jīng)過橢球面反射時，把橢球面分成多個區(qū)域，按照光映射的原理，讓入射到每個橢球面反射區(qū)域的光束，經(jīng)過高次曲面的修正，會聚到橢球面的第二焦點處，把這些修正后的橢球面反射區(qū)域擬合為一個新的橢球面，這就是改進的橢球面；經(jīng)過改進的橢球面反射器會聚到第二焦點處的光斑也不是絕對的點光源，是一個擴展光源，也可以認為是多個點光源組成的光源，由于改進的橢球面第二焦點幾何中心與第一拋物面焦點重合，在該焦點以外的點光源經(jīng)過第一拋物面反射時，把第一拋物面也分成多個區(qū)域，按照光映射的原理，讓入射到每個第一拋物面反射區(qū)域的光束，經(jīng)過高次曲面的修正后準直出射，把這些修正后的第一拋物面反射區(qū)域擬合為一個新的第一拋物面，這就是改進的第一拋物面；由于擴展的LED光源認為是多個點光源組成的光源，處于焦點以外的點光源經(jīng)過第二拋物面反射時，把第二拋物面分成多個區(qū)域，按照光映射的原理，讓入射到每個第二拋物面反射區(qū)域的光束，經(jīng)過高次曲面的修正后準直出射，把這些修正后的第二拋物面反射區(qū)域擬合為一個新的第二拋物面，這就是改進的第二拋物面，
本發(fā)明中，所述的白光LED模組為單芯片或多芯片COB封裝的白光LED，多芯片封裝發(fā)光面尺寸為AXA或AXB，其中0.5mm≤A≤20mm, 0.5mm ≤B ≤ 20mm, A幸B，發(fā)光面積對角線為系統(tǒng)最大通光口徑的1/10或更小，白光LED光源模組的發(fā)光面法線垂直于改進的橢球面反射器長軸。
[0010]本發(fā)明中，所述的改進的橢球面反射器以靠近的長軸端點為起點的第一焦點的位置大于5mm，第二焦點的位置大于等于10mm，長軸方向長度與第二焦點的位置長度相當，內表面采用高反射率鏡面鍍膜，反射率達到95%以上。
[0011]本發(fā)明中，所述的改進的第一拋物面反射器焦距與白光LED發(fā)光面大小相匹配，通光有效口徑大于等于白光LED發(fā)光面對角線的10倍，反射器的長度與其焦距相當，對于單顆芯片封裝的白光LED，通常焦距為5-30mm，反射器長度與焦點的位置長度相當，口徑為10-60_，或根據(jù)結構要求為較大；多芯片封裝的白光LED較單芯片封裝的白光LED的改進的第一拋物面反射器的結構稍大。
[0012]這里“相當”是“相等”的意思；
改進的橢球面反射器中，焦點的位置長度:以靠近光源所在位置(改進的橢球面第一焦點)的橢球面長軸端點為起點，到改進的橢球面第二焦點的距離，稱為第二焦點的位置長度；
改進的第一拋物面反射器，“焦點的位置長度”，指的是拋物面頂點到拋物面焦點的距離，實際上也是拋物面的焦距，也可以稱為為“焦距的大小”。
[0013]本發(fā)明中，所述的改進的第二拋物面反射器結構參數(shù)與改進的橢球面反射器和改進的第一拋物面反射器結構大小相匹配，焦距大于等于8_，反射器長度大于等于15_，通光有效口徑大于40mm。
[0014]本發(fā)明中，所述的改進的橢球面反射器(2)是基于標準橢球面反射器設計而成，當LED光源近似看作點光源時，該反射器采用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器采用改進后的橢球面反射器(2)以保證白光LED模組(I)面光源出射的光線能夠會聚到其第二焦點附近形成彌散斑較小的光斑。
[0015]本發(fā)明中，所述的改進的第一拋物面反射器(3)是基于標準的拋物面反射器設計而成，當改進的橢球面反射器(2)在其第二焦點處的彌散斑直徑為系統(tǒng)最大通光口徑的1/10或更小時，該反射器(3)采用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器(2)在其第二焦點處的彌散斑直徑大于系統(tǒng)最大通光口徑的1/10時，該反射器采用改進的第一拋物面反射器(3)結構，以保證由白光LED模組(I)出射的一部分α角內光束經(jīng)過改進的橢球面反射器(2)在其第二焦點處形成彌散斑的光斑做為改進的第一拋物面反射器(3)焦點處的近似點光源，再經(jīng)其表面反射后準直出射。
[0016]本發(fā)明中，所述的改進的第二拋物面反射器(4)是基于標準的拋物面反射器設計而成，在LED光源近似看作點光源時，采用標準的拋物面結構；在白光LED模組(I)光源為一擴展光源時，采用改進的第二拋物面反射器(4)結構，以保證由白光LED模組(I)光源出射的另一部分β角內光束經(jīng)過改進的第二拋物面反射器(4)反射后準直出射。
[0017]本發(fā)明提出的理論無損光效的LED光全反射準直系統(tǒng)，理論上能夠將LED光源發(fā)出的光束能量100%準直出射，僅僅有反射器的反射損失，而反射器的反射率可以做到95%以上或更高，系統(tǒng)又完全采用全反射器設計，沒有任何透鏡結構，所以準直的光學系統(tǒng)效率很聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明所述光學系統(tǒng)結構的正視圖。
[0019]圖2是本發(fā)明所述光學系統(tǒng)結構的左視圖。
[0020]圖3是本發(fā)明LED光源在α角內出射的一部分光線經(jīng)改進的橢球面反射器會聚，再經(jīng)改進的第一拋物面反射器準直的光路圖。
[0021]圖4是本發(fā)明LED光源未經(jīng)改進的橢球面反射器反射而直接出射的在β角內出射的另一部分光線經(jīng)改進的第二拋物面反射器準直的光路圖。[0022]圖5是本發(fā)明所述的LED光源準直光學系統(tǒng)結構的實例三維視圖。
[0023]圖6是本發(fā)明所述的LED光源準直光學系統(tǒng)結構的實例在5m遠測試屏上形成的照度平面分布圖。
[0024]圖中標號:1.LED光源，2.改進的橢球面反射器，3.改進的第一拋物面反射器，
4.改進的第二拋物面反射器。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明提出的理論無損光效的LED光全反射的準直系統(tǒng)，包括白光LED模組1、改進的橢球面反射器2、改進的第一拋物面反射器3、改進的第二拋物面反射器4組成，白光LED模組I幾何中心置于改進的橢球面反射器2的第一焦點處，改進的第一拋物面反射器3位于改進的橢球面反射器2上方，且其焦點與改進的橢球面反射器2的第二焦點重合，改進的第二拋物面反射器4位于改進的第一拋物面反射器3的上方，且其焦點與白光LED模組I的幾何中心位置重合，白光LED模組I發(fā)出的在α角內的一部分出射光束經(jīng)過改進的橢球面反射器2會聚到其第二焦點處，由于改進的橢球面反射器I的第二焦點與改進的第一拋物面3的焦點重合，光束再經(jīng)過改進的第一拋物面反射器3反射后水平準直出射，LED光源的另一部分在β角內出射的光束未經(jīng)改進的橢球面反射器2的反射直接出射，由于改進的第二拋物面反射器的焦點與改進的橢球面第一焦點重合，這部分光束經(jīng)改進的第二拋物面反射器4的反射后水平準直出射，又由于改進的第一拋物面反射器3和改進的第二拋物面反射器4的出射光束的主光軸平行，形成高效的LED光全反射的準直系統(tǒng)。
[0026]實施例:
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示的，是本發(fā)明高效LED光全反射的準直系統(tǒng)的結構示意圖；采用單芯片COB封裝的白光LED模組I作為光源，驅動電壓為3.3 V，電流為300.0 mA,改進的橢球面反射器2第一焦距5.0 mm,第二焦距30.0 mm,長度為30.0 mm,改進的第一拋物面反射器3焦距為18.0 mm,長度為18.0 mm,改進的第二拋物面反射器4焦距為30.8mm，長度為62.0 mm。圖5是本發(fā)明所述的LED光源準直光學系統(tǒng)結構的實例三維視圖；圖
6是本發(fā)明所述的LED光源準直光學系統(tǒng)結構的實例在5m遠測試屏上形成的照度平面分布圖。
[0027]本發(fā)明有以下特點:
1.采用LED作為光源，改進的第一拋物面反射器的長度隨著LED模組出射光線中未經(jīng)改進的橢球面反射器反射的直射光線的開口角度的變化而變化，當直射光線與豎直方向最大夾角變大時，改進的第一拋物面反射器長度要伸長以保證完全反射直射光部分，當LED發(fā)光半角較小以至完全被改進的橢球面反射器反射時，改進的第一拋物面反射器長度為零；
2.如圖1所示結構，其中改進的橢球面反射器是基于標準橢球面反射器設計的，當LED光源可近似看作點光源時，該反射器采用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器采用改進后的橢球面反射器以保證LED面光源出射的光線能夠會聚在第二焦點附近，當改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑直徑為系統(tǒng)最大通光口徑的1/10或更小時，改進的第一拋物面反射器采用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑直徑大于系統(tǒng)最大通光口徑的1/10時，該反射器采用改進的拋物面結構，以保證由改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑處出射的光線經(jīng)其反射可以準直出射。改進的第二拋物面反射器在LED光源近似可看作點光源時，采用標準的拋物面結構，在LED光源為一擴展光源時，采用改進的拋物面結構，以保證LED直射光經(jīng)其反射可以準直出射；
3.如圖1所示理論無損光效的LED光全反射準直系統(tǒng)，理論上能夠將LED光源發(fā)出的光束能量100%準直出射，僅僅有反射器的反射損失，而反射器的反射率可以做到95%以上或更高，系統(tǒng)又完全采用全反射器設計，沒有任何透鏡結構，所以準直的光學系統(tǒng)效率很聞。
【權利要求】
1.一種理論無損光效的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于由白光LED模組(I)、改進的橢球面反射器(2)、改進的第一拋物面反射器(3)、改進的第二拋物面反射器(4)組成；所述白光LED模組(I)幾何中心位于改進的橢球面反射器(2)的第一焦點處；所述改進的第一拋物面反射器(3)位于改進的橢球面反射器(2)上方，且其焦點與改進的橢球面反射器(2)的第二焦點重合；所述改進的第二拋物面反射器(4)位于改進的第一拋物面反射器(3)的上方，且其焦點與白光LED模組(I)幾何中心位置重合；其中: 由白光LED模組(I)出射的一部分α角內光束經(jīng)過改進的橢球面反射器(2)會聚到其第二焦點處，再經(jīng)改進的第一拋物面反射器(3)準直出射；由白光LED模組(I)光源出射的另一部分β角內光束經(jīng)過改進的第二拋物面反射器(4)準直出射；改進的第一拋物面反射器(3)和改進的第二拋物面反射器(4)的出射光束的主光軸平行，且同時平行于LED光源(O的主光線，以保證經(jīng)它們反射后的光線按同一水平方向準直出射，形成理論無損效率的高效LED光全反射的準直系統(tǒng)；0°< α〈180°，0°< β〈180°，且α + β =180°。
2.根據(jù)權利要求1所述的LED光全反射的準直系統(tǒng),其特征在于:所述的白光LED模組(I)為單芯片或多芯片COB封裝的白光LED，多芯片封裝發(fā)光面尺寸為AXA或ΑΧΒ，其中0.5mm ( 20mm, 0.5mm ^ B ^ 20mm, A ^ B,發(fā)光面積對角線為系統(tǒng)最大通光口徑的1/10或更小，白光LED光源模組的發(fā)光面法線垂直于改進的橢球面反射器(2)的長軸所在的開口截面。
3.根據(jù)權利要求1所述的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于:所述的改進的橢球面反射器(2)以靠近的長軸端點為起點的第一焦點的位置大于5mm，第二焦點的位置大于等于10_，長軸方向長度與第二焦點的位置長度相當，內表面采用高反射率鏡面鍍膜，反射率達到95%以上。
4.根據(jù)權利要求1.所述的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于:所述的改進的第一拋物面反射器(3)焦距與白光LED模組(I)發(fā)光面結構大小相匹配，通光有效口徑大于等于白光LED發(fā)光面對角線長度的10倍，反射器(3)的長度與其焦距相當對于單顆芯片封裝的白光LED，焦距為5-30mm，反射器(3)長度與其焦距的位置長度相當通光有效口徑為10-60mmo
5.根據(jù)權利要求1所述的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于:所述的改進的第二拋物面反射器(4)結構參數(shù)與改進的橢球面反射器(2)和改進的第一拋物面反射器(3)相匹配，其焦距大于等于8mm，反射器(4)長度大于等于15臟，通過有效口徑大于40mm。
6.根據(jù)權利要求1所述的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于:所述的改進的橢球面反射器(2)是基于標準橢球面反射器設計而成，當LED光源近似看作點光源時，該反射器采用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器采用改進后的橢球面反射器(2)以保證白光LED模組(I)面光源出射的光線能夠會聚到其第二焦點附近形成彌散斑較小的光斑。
7.根據(jù)權利要求1所述的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于:所述的改進的第一拋物面反射器(3)是基于標準的拋物面反射器設計而成，當改進的橢球面反射器(2)在其第二焦點處的彌散斑直徑為系統(tǒng)最大通光口徑的1/10或更小時，該反射器(3)采用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器(2)在其第二焦點處的彌散斑直徑大于系統(tǒng)最大通光口徑的1/10時，該反射器采用改進的第一拋物面反射器(3)結構，以保證由白光LED模組(I)出射的一部分α角內光束經(jīng)過改進的橢球面反射器(2)在其第二焦點處形成彌散斑的光斑做為改進的第一拋物面反射器(3)焦點處的近似點光源，再經(jīng)其表面反射后準直出射。
8.根據(jù)權利要求1所述的LED光全反射的準直系統(tǒng)，其特征在于:所述的改進的第二拋物面反射器(4)是基于標準的拋物面反射器設計而成，在LED光源近似看作點光源時，采用標準的拋物面結構；在白光LED模組(I)光源為一擴展光源時，采用改進的第二拋物面反射器(4)結構，以保證由白光LED模組(I)光源出射的另一部分β角內光束經(jīng)過改進的第二拋物面反射器(4)反射后 準直出射。
【文檔編號】F21Y101/02GK103471036SQ201310409135
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權日:2013年9月10日
【發(fā)明者】葛愛明, 蔡金林, 邱鵬, 王俊偉 申請人:復旦大學