[發(fā)明專利]窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310140657.3
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN103196066A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張尚超;張順清;袁衛(wèi)星;揚(yáng)東建;梅杰
• 申請（專利權(quán)）人: 無錫實益達(dá)電子有限公司
• 主分類號: F21S2/00
• 分類號: F21S2/00;F21V13/04;F21V5/04;F21V7/22;F21Y101/02
• 代理公司: 無錫華源專利事務(wù)所(普通合伙) 32228
• 代理人: 孫力堅

1.一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括COB型LED光源、自由曲面透鏡以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透鏡和自由曲面反射杯對COB型LED光源發(fā)出的光進(jìn)行區(qū)域化控制；其中，自由曲面透鏡控制COB型LED光源發(fā)出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源發(fā)出的大角度的光。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：一種可行的結(jié)構(gòu)為：所述自由曲面透鏡設(shè)置在自由曲面反射杯的內(nèi)部杯底并與自由曲面反射杯相連，所述COB型LED光源設(shè)置在自由曲面反射杯的內(nèi)部杯底與自由曲面透鏡的內(nèi)腔所圍成的空間之內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述COB型LED光源發(fā)出的0度至α度的光線透過自由曲面透鏡頂部，均勻分布在β度以內(nèi)；所述COB型LED光源發(fā)出的α度到90度的光線透過自由曲面透鏡側(cè)壁，經(jīng)過自由曲面反射杯內(nèi)表面反射，分布在照明區(qū)域內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述自由曲面透鏡包括透鏡頂部、透鏡側(cè)壁和透鏡底部；所述透鏡頂部由內(nèi)表面和外表面組成；所述透鏡頂部外表面是上凸或下凹的自由曲面。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述透鏡頂部外表面制成菲涅爾透鏡。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鍍層處理。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鱗甲結(jié)構(gòu)，所述鱗甲高度不高于0.05mm。

8.一種權(quán)利要求1所述的窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于：以光源所在平面為x軸，中垂線為y軸建立坐標(biāo)系，以光源中心為原點，設(shè)擴(kuò)展光源半徑為R，生成透鏡自由曲面以及反射杯自由曲面；

生成透鏡自由曲面的步驟如下：

1）設(shè)H為LED光源左邊緣R_l的光線與y軸的交點，坐標(biāo)為（0,H）；

2）根據(jù)光源尺寸D（D=2R），取第一次折射光線上的點X₀作為透鏡外表面曲線的起始點，并使X₀點處的法線豎直向上；

3）根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒式

2n×D=∫-ββLdβ]]>

求出投射寬度L；其中，D為光源直徑，β為出射光線與y軸夾角，n為光學(xué)材料的折射率；

4）直線a為R_l出射光線，取與其距離L的直線b作為光源邊緣R_r的出射光線，在直線b上取點Y₀；

5）根據(jù)折射定律矢量形式

求出Y₀點得法線方向其中和分別為出射和入射光線單位矢量，為界面法線單位矢量；

6）根據(jù)X₀，Y₀的坐標(biāo)以及它們的法線方向和插值一條連續(xù)曲線，使之通過X₀和Y₀，同時在這兩點滿足法線方向和由此可以擬定一條連續(xù)曲線X₀Y₀作為計算起始曲線；

7）將初始曲線X₀Y₀劃分n小段，得到曲線上的n+1點，分別為X₀～X_n，對應(yīng)未知曲線的點Y₀～Y_n；

8）取X₀較近一點X₁，出射光線為直線c，把距直線c為L的直線d作為R_r經(jīng)透鏡折射后的另一條光線；計算出直線d與Y₀點得切線的交點Y₁，根據(jù)折射定律矢量形式計算出Y₁點得法線方向；同樣根據(jù)X₁，Y₁的坐標(biāo)以及它們的法線方向，插值三次曲線；

9）取X₁較近一點X₂，依次類推計算，使用同步多曲面法計算剩下的點，直到α的范圍在40°～45°為止，最終得到透鏡截面曲線；

生成反射杯自由曲面的步驟如下：

1）確定初始線段A₁B₁，從與y軸夾角最大光線開始考慮，這一簇光線對應(yīng)屏幕上的起始點為r₁，初始入射光線R_lA₁經(jīng)過反射到達(dá)r₁；根據(jù)邊緣光線理論，R_r發(fā)出的某一條光線入射到初始曲線端點B₁也會被反射到r₁，則曲線段A₁B₁是以R_r和r₁為兩個焦點橢圓的部分曲線；角θ_r、角θ₁分別為出射光線A_nr_n、B_nr_n與光軸y的夾角；

2）設(shè)光源亮度為B，而發(fā)出與y軸夾角較小而直接照射在屏幕上而產(chǎn)生的照度可由

E(r)=∫B·cosθ·dθ=BΩ]]>得到。

角A₁r₁B₁的大小由r₁的照度決定；出射光線A₁r₁與y軸的夾角θ_r由A₁的坐標(biāo)確定，r₁接受到的照度可由光源直接照射的能量減去反射器反射的能量得到，即

E_r=E-BΩ=B(sinθ_r-sinθ₁)

得到出射光線B₁r₁與y軸的夾角θ₁并得到B₁點的坐標(biāo)，初始曲線A₁B₁方程即可確定；

3）從R_l點發(fā)出與y軸夾角稍小的光線，入射到曲線A₁B₁上的A₂點，從曲線方程上可求出A₂的坐標(biāo)以及其法向量由反射定律可得到其反射光線，設(shè)反射光線入射到屏幕上的點為r₂，出射光線A₂r₂與y軸的夾角θ_r可確定；由光通量守恒得到出射光線B₂r₂與y軸的夾角θ₁，即確定r₂光線接收錐的另外一個邊界的光線，其與B₁點的切線交于B₂，作為新的曲線點；

4）光源從邊緣R_r發(fā)出的光線R_rB₂經(jīng)反射的反射光線為B₂r₂，根據(jù)反射定律，B₂的坐標(biāo)和法向量也可確定；反射器A₁B₂的輪廓可以確定，再考慮由R_r點發(fā)出的與y軸夾角更小的光線，重復(fù)以上步驟，輪廓線將不斷擴(kuò)展，直至達(dá)到所要求的邊界為止。