專(zhuān)利名稱(chēng)：基于光學(xué)擴(kuò)展量的led均勻照明反射器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明技術(shù)，特別涉及一種均勻照明反射器的設(shè)計(jì)方 法及采用該設(shè)計(jì)方法得到的反射器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，LED作為一種新興的人造光源，由于其 體積小，能耗低，單色性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景。 LED正逐漸耳又代傳統(tǒng)光源，成為新一代光源。但是，目前LED尚存在許 多不足，單個(gè)LED總光能量較低，且大部分LED產(chǎn)品都具有大發(fā)散角的 朗伯分布發(fā)光曲線，因此并不能單獨(dú)用于照明系統(tǒng)中，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合， 人們需要附加的光學(xué)元件與LED配合，實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的均勻照明。
現(xiàn)有技術(shù)中有公開(kāi)號(hào)為CN1948823A和CN2760613Y的專(zhuān)利文獻(xiàn)中提 及的二次型反射聚光器與光棒進(jìn)行勻光。還有如公開(kāi)號(hào)為CN1554983A和 CN2891006Y的專(zhuān)利文獻(xiàn)中提及的采用反射型復(fù)眼或透射型蠅眼進(jìn)行勻光 等手段。
但這些基于傳統(tǒng)成像光學(xué)原理的方法雖然解決了 一定范圍內(nèi)的均勻 照明的問(wèn)題，但由于其自身性質(zhì)的限制，存在一定的收集角度，因此不能 實(shí)現(xiàn)LED光能高利用率的目的，光棒在足夠長(zhǎng)時(shí)勻光效果較好，但是以 犧牲光能利用率為代價(jià)而浪費(fèi)能源，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，而在微型化 日益成為趨勢(shì)的今天，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的均勻性局限性也日趨明顯。
也有人用非成像光學(xué)理論來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻照明的設(shè)計(jì)，如J. M. Gordon and AriRabl利用TEDs (Tailored Edge-ray Device) ^殳計(jì)方法，i殳計(jì)軸對(duì)稱(chēng)反射 器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)均勻照明。丁毅等人基于折反射方程和能量守恒建立偏微分方 程組，通過(guò)數(shù)值求解得到用于均勻照明的自由曲面透鏡和自由曲面反射
4器，但是對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的反射器設(shè)計(jì)而言，該方法較為繁瑣。
另外隨著三維輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越多的反射器結(jié)構(gòu)采用方程式來(lái) 表達(dá)，之后通過(guò)三維輔助設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，例如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利
200510037129.0中公開(kāi)了 一種背光系統(tǒng)及其反光罩，包括多個(gè)光源、 一反光 罩和一導(dǎo)光才反，該導(dǎo)光斧反包括入光面、連4妄于該入光面的出光面和相對(duì)于 該出光面的底面，該光源相對(duì)該入光面設(shè)置，該反射器具有多個(gè)反射單元， 該多個(gè)反射單元分別收容該多個(gè)光源，各反射單元具有兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的反 射面，該兩個(gè)反射面與該入光面相對(duì)且該兩個(gè)反射面的截面形狀在一極坐 標(biāo)中由一特定方程限定。
但現(xiàn)有技術(shù)的反射器和導(dǎo)光板結(jié)合的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，加工不便，盡管 也有采用光學(xué)透射裝置來(lái)解決均勻照明的問(wèn)題，但光學(xué)透射裝置會(huì)消耗一 部分能量，能量利用率很低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)LED光源特性和目標(biāo)平面照度的分布要求，依據(jù)非成像 光學(xué)中的光學(xué)擴(kuò)展量守恒理論，提供了 一種均勻照明和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的反射器 的設(shè)計(jì)方法。
一種基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器的設(shè)計(jì)方法，包括 (1 )以LED光源為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，
(2 )在LED光源的光束發(fā)射的反方向處確定需要照亮的目標(biāo)區(qū)域； (3 )在LED光源的光束發(fā)射的正方向處利用如下曲線方程建立反射 面曲線，
<formula>formula see original document page 5</formula>
式中
r為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心與反射面上任一點(diǎn)戶之間的距離0為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心發(fā)射到所述的反射面上任一點(diǎn)P的光線與 LED光源發(fā)光面法線的夾角；
S腿為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面輸出光束的最大發(fā)散角； x0為照明目標(biāo)平面與LED光源發(fā)光面中心之間的距離； 為目標(biāo)平面上照明區(qū)域的半徑；
(4 )將反射面曲線繞LED光源發(fā)光面中心法線旋轉(zhuǎn)得到所述的基于 光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器的反射面。
本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中將照明范圍A和目標(biāo)面相對(duì)LED光源的位置^作 為方程的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于不同的照明范圍i 和不同的位置x。，可根據(jù)具體 的照明要求，進(jìn)行選擇，擴(kuò)大了所述設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用范圍。
進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可以
a)選擇初始點(diǎn)的極徑r為反射器中心頂點(diǎn)到LED光源發(fā)光面中心的 距離 ，e為0°開(kāi)始，至^max為終點(diǎn)結(jié)束；
或者b)選擇初始點(diǎn)從反射器半口徑為開(kāi)始，此時(shí)的極徑
r0=/7/Sin《rax,極角為^max,至^為0。結(jié)束。
本發(fā)明所述的LED光源可以是各種功率，不同顏色的發(fā)光二極管 (LED)。發(fā)光二極管光強(qiáng)分布具有朗伯型或類(lèi)朗伯型分布。反射器的反射 率采用常用的反射膜即可。
LED光源朝向涂有反射膜的反射面發(fā)光，經(jīng)過(guò)反射后，幾乎全部光線 都能到達(dá)目標(biāo)平面，提高了光能的利用率和照度均勻性。
本發(fā)明還提供了利用所述的設(shè)計(jì)方法得到的基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED 均勻照明反射器，包括LED光源以及用于將LED光源發(fā)射的光線反射至 需要照亮的目標(biāo)平面的反射器，所述的反射器二維輪廓曲線由如下方程限 定
廠sin 6--------.尺
/i 4 sin 6麗 (9 — arctan -------------------------------------^ -
A , rcos6 + :^ 、 ——=r tan(-^-)
式中r為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心與反射面上任一點(diǎn)P之間的距離 《為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心發(fā)射到所述的反射面上任一點(diǎn)尸的光線與 LED光源發(fā)光面法線的夾角；
S隨為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面輸出光束的最大發(fā)散角；
W為照明目標(biāo)平面與LED光源發(fā)光面中心之間的距離；
A為目標(biāo)平面上照明區(qū)域的半徑；
其中所述的曲面為上述曲線方程確定的曲線，通過(guò)繞LED光源發(fā)光 面中心法線^:轉(zhuǎn)而成。
面，將LED光源的光能向四周擴(kuò)展，使得能量分布均勻。LED光源朝向 反射面方向發(fā)光，經(jīng)過(guò)反射后，幾乎全部光線都能到達(dá)目標(biāo)平面，提高了 光能的利用率和照度均勻性。
光學(xué)擴(kuò)展量是非成像光學(xué)理論中一個(gè)重要的概念(可參見(jiàn)W. Cassarly. "Non-imaging Optics: Concentration and Illumination," OS A Handbook of Optics, 2nd edition, Vol 3. Chap 2. McGraw-Hill, New York(2001).),描述光 束所通過(guò)的面積和光束所占有的立體角的積分，用于權(quán)衡所要求的面積和 立體角，確定系統(tǒng)的能量收集率，從而確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。光學(xué)擴(kuò)展量定義為
t/ = "2 JJ"cos脇t/Q (1)
式中"為折射率，^是微元面積W的法線與微元立體角W的中心軸 的夾角。
對(duì)于理想的光學(xué)系統(tǒng)，在不考慮折射、反射、散射、吸收等損失的情 況下，光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后光學(xué)擴(kuò)展量守恒。在非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光 學(xué)擴(kuò)展量匹配是最重要的考慮因素。對(duì)于光源光學(xué)擴(kuò)展量越小越好，而對(duì) 于光學(xué)元件的光學(xué)擴(kuò)展量應(yīng)越大越好。但是擴(kuò)展量的增加并不一定能產(chǎn)生 相同程度的能量效率的提高，同時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的增加。因 此需要合理的設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，控制光線走向，實(shí)現(xiàn)光學(xué)擴(kuò)展量的匹配，從 而獲得較高的光能利用率和所需的照明均勻性。
本發(fā)明基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器是基于非成像光學(xué)理論中光學(xué)擴(kuò)展量守恒理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即在理想的光學(xué)系統(tǒng)中，在不考慮 折射、反射、散射、吸收等損失的情況下，光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后光學(xué)擴(kuò)展 量守恒。對(duì)于光源的光學(xué)擴(kuò)展量越小越好，而對(duì)于光學(xué)元件的光學(xué)擴(kuò)展量 應(yīng)越大越好。但是擴(kuò)展量的增加并不一定能產(chǎn)生相同程度的能量效率的提 高，同時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的增加。因此需要合理的設(shè)計(jì)照明系 統(tǒng)，控制光線走向，實(shí)現(xiàn)光學(xué)擴(kuò)展量的匹配，從而獲得較高的光能利用率 和所需的照明均勻性。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)LED光源的發(fā)光特性和給定目標(biāo)平面照明要求的分析， 根據(jù)非成像光學(xué)中的光學(xué)擴(kuò)展量守恒理論，建立了反射器的一般數(shù)學(xué)模 型，使用單一的反射器即可實(shí)現(xiàn)均勻照明，且在目標(biāo)平面上可以得到較高 的照度均勻性和能量利用率。本發(fā)明均勻照明的反射器的設(shè)計(jì)方法可用于 要求高均勻照明的系統(tǒng)，如用于以LED為光源的顯微鏡照明系統(tǒng)、室內(nèi) 照明、投影系統(tǒng)等照明系統(tǒng)。不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還能增加光能的利 用率，而且照度均勻性也得到極大地提高。因此本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法具有很 好的應(yīng)用前景。
圖1為本發(fā)明采用的發(fā)光二極管光強(qiáng)分布具有朗伯型特征的光強(qiáng)分布圖，
圖中橫坐標(biāo)為^角，縱坐標(biāo)為歸一化光強(qiáng)；
圖2為本發(fā)明反射器的原理示意圖3為本發(fā)明反射器用于顯微鏡照明系統(tǒng)的反射器模型圖4為圖3中顯凝:4竟照明系統(tǒng)的仿真圖5為照明區(qū)域內(nèi)的照度分布圖6為水平和垂直方向的照度分布曲線；圖中A線表示垂直方向上的照度 分布曲線；B線表示水平方向上的照度分布曲線；
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明設(shè)計(jì)方法根據(jù)LED光源的發(fā)光特性和特定目標(biāo)平面照明要求的分析，應(yīng)用非成像光學(xué)中的光學(xué)擴(kuò)展量守恒理論，建立反射器的一般數(shù) 學(xué)模型，使用單一的反射器即可實(shí)現(xiàn)均勻照明，且在目標(biāo)平面上可以得到 較高的照度均勻性和能量利用率。
利用光學(xué)擴(kuò)展量相關(guān)理論，參見(jiàn)圖2，建立極坐標(biāo)系，發(fā)光二極管發(fā) 光面的中心放于坐標(biāo)系原點(diǎn)(0, 0),發(fā)光面的法線沿x軸負(fù)方向。在極 坐標(biāo)下，反射面外形輪廓的微分方程為
<formula>formula see original document page 9</formula>式中e是LED光源中心發(fā)射到反射器任一點(diǎn)P的光線與發(fā)光二極管發(fā) 光面的法線的夾角。 根據(jù)圖2可得
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中W是發(fā)光二極管中心與目標(biāo)平面的距離，可以根據(jù)照明平面所在 位置的不同進(jìn)行選擇。為光線經(jīng)過(guò)i3點(diǎn)反射后落在目標(biāo)平面上的位置。 令式(1)中"=1，則對(duì)從LED光源任意錐度^內(nèi)反射的光，可得到
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中^為P內(nèi)光源的光學(xué)擴(kuò)展量，J,為L(zhǎng)ED光源的發(fā)光面積。通過(guò)
計(jì)算得到6角對(duì)應(yīng)的目標(biāo)平面上的照度
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，丄為照明面亮度，4為目標(biāo)平面上的照明面積，t/,為目標(biāo)平面 上的光學(xué)擴(kuò)展量。另取邊界點(diǎn)的照度為<formula>formula see original document page 9</formula>
根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒和等照度條件
<formula>formula see original document page 9</formula>
得到，" (8)
",o為P陋所對(duì)應(yīng)的光學(xué)擴(kuò)展量。將4 = W2 ， 4 = , ", = sin2 P , R。 = < sin2 &ax代入式(8)，得到
(9)
式中，i 可以根據(jù)照亮的目標(biāo)平面的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，A為照明區(qū)域的 半徑。將式(9)和式(3)代入式(2)得到式(10),
rsin^----i
n sin <9隨 P — arctan----
土"tan(--醜—) (10)
由公式(10)可見(jiàn)，通過(guò)數(shù)值積分方法可求解得到r與^的離散點(diǎn)坐標(biāo)， 這些離散點(diǎn)形成一條曲線，曲線繞LED光源發(fā)光面中心法線旋轉(zhuǎn)，得到 由三維數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的曲面(可利用3D建模軟件進(jìn)行曲面擬合)即得到反 射器的反射面。
利用所述的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行反射器制作，以LED光源為原點(diǎn)，反射器 中心頂點(diǎn)到LED光源發(fā)光面中心的距離"為5mm，目標(biāo)平面位置x。為 15 mm,照明范圍半徑i 為45 mm, LED光源大小為lmmxlmm, LED 光源發(fā)散角《_=90°,光通量設(shè)置為101m，反射器的反射率設(shè)為1。
LED光源采用具有朗伯型特征的光強(qiáng)分布的發(fā)光二極管，光強(qiáng)分布圖 可見(jiàn)圖1，圖1中橫坐標(biāo)為^角，縱坐標(biāo)為歸一化光強(qiáng).
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，代入式(IO)，利用matlab程序，使用龍格-庫(kù)塔數(shù)值 積分方法求解所述反射器方程得到反射器輪廓的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)和 三維軟件擬合得到反射器模型，如圖2所示。此時(shí)反射器的口徑為63.6 mm。
將得到的反射器用于顯微鏡照明系統(tǒng)，其反射器模型圖及顯微鏡照明 系統(tǒng)的仿真圖可參見(jiàn)圖3、圖4。
開(kāi)啟LED光源，光線經(jīng)過(guò)反射器反射后，在目標(biāo)平面上形成一個(gè)直 徑為90mm的光斑，均勻性>85%。對(duì)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的反射器進(jìn)行光線追
10跡和照度分布計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖5、圖6，圖5為照明區(qū)域內(nèi)的照度分布圖； 圖6為水平和垂直方向的照度分布曲線；圖中A線表示垂直方向上的照度 分布曲線；B線表示水平方向上的照度分布曲線；本發(fā)明反射器照度均勻 性達(dá)到了 90.6%,能量利用率達(dá)到99.6%。
權(quán)利要求
1、一種基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括(1)以LED光源為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，(2)在LED光源的光束發(fā)射的反方向處確定需要照亮的目標(biāo)區(qū)域；(3)在LED光源的光束發(fā)射的正方向處利用如下曲線方程建立反射面曲線，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mi>dr</mi> <mi>dθ</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>r</mi><mi>tan</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>θ</mi> <mo>-</mo> <mi>arctan</mi> <mfrac><mrow> <mi>r</mi> <mi>sin</mi> <mi>θ</mi> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mi>sin</mi> <mi>θ</mi></mrow><mrow> <mi>sin</mi> <msub><mi>θ</mi><mi>max</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mi>R</mi></mrow><mrow> <mi>r</mi> <mi>cos</mi> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>x</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac></mrow><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中r為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心與反射面上任一點(diǎn)P之間的距離；θ為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心發(fā)射到所述的反射面上任一點(diǎn)P的光線與LED光源發(fā)光面法線的夾角；θmax為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面輸出光束的最大發(fā)散角；x0為照明目標(biāo)平面與LED光源發(fā)光面中心之間的距離；R為目標(biāo)平面上照明區(qū)域的半徑；(4)將反射面曲線繞LED光源發(fā)光面中心法線旋轉(zhuǎn)得到所述的基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器的反射面。
2、 一種基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻照明反射器，包括LED光源以 及用于將LED光源發(fā)射的光線反射至需要照亮的目標(biāo)平面的反射面，其 特征在于所述的反射面為如下曲線方程所限定的曲線旋轉(zhuǎn)而確定的曲 面<formula>formula see original document page 2</formula>式中-.r為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心與反射面上任一點(diǎn)P之間的距離 ^為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面中心發(fā)射到所述的反射面上任一點(diǎn)尸的光線與 LED光源發(fā)光面法線的夾角；0皿為L(zhǎng)ED光源發(fā)光面輸出光束的最大發(fā)散角； x0為照明目標(biāo)平面與LED光源發(fā)光面中心之間的距離； 為目標(biāo)平面上照明區(qū)域的半徑；其中所述的曲面為上述曲線方程確定的曲線通過(guò)繞LED光源發(fā)光面 中心法線S走轉(zhuǎn)而成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光學(xué)擴(kuò)展量的LED均勻反射器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，根據(jù)LED光源的發(fā)光特性和特定目標(biāo)平面照明要求的分析，應(yīng)用非成像光學(xué)中的光學(xué)擴(kuò)展量守恒理論，建立反射器的一般數(shù)學(xué)模型，所述的反射面為如說(shuō)明書(shū)所述的曲線方程所限定的曲線旋轉(zhuǎn)而確定的曲面。使用單一的反射器即可實(shí)現(xiàn)均勻照明，且在目標(biāo)平面上得到較高的照度均勻性和能量利用率。本發(fā)明均勻照明的反射器的設(shè)計(jì)方法可用于要求高均勻照明的系統(tǒng)，如用于以LED為光源的顯微鏡照明系統(tǒng)、室內(nèi)照明、投影系統(tǒng)等照明系統(tǒng)。不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還能增加光能的利用率，而且照度均勻性也得到極大地提高。因此本發(fā)明具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101586779SQ20091009955
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者余桂英, 朱旭平, 蔣賢滿, 驥 金 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院