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

有效

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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及LED照明光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種用于多芯片集成式高功率LED（COB型LED）的二次光學(xué)系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)小角度窄光出射效果的一種設(shè)計(jì)方法，屬于非成像光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

LED光源本身是一個(gè)近似的朗伯光源，難以滿足各種照明用途的需求，因此必須根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，針對(duì)LED光源設(shè)計(jì)不同的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)LED光源發(fā)出的光進(jìn)行整形，進(jìn)行光能量的二次分布。

隨著電路板上直接芯片封裝（COB）技術(shù)的發(fā)展，其高功率密度、色度均勻及體積小等特點(diǎn)，使COB型LED光源越來(lái)越多的應(yīng)用到商業(yè)照明中。COB型LED光源面積較單顆LED光源大很多，將數(shù)十顆LED芯片集成封裝時(shí)，光源面積能達(dá)到10mm*10mm到25mm*25mm，該光源的優(yōu)勢(shì)在于大大降低了LED光源的數(shù)量，減小了燈具面積，降低燈具成本，較低的色容差使應(yīng)用燈具具有較好的顏色一致性。

然而，面向COB型光源的二次光學(xué)設(shè)計(jì)卻較為困難。目前大多數(shù)專利的設(shè)計(jì)方法均基于近似點(diǎn)光源的設(shè)計(jì)，而COB型LED屬于擴(kuò)展光源，點(diǎn)光源設(shè)計(jì)方法不再適用于COB型LED。

目前采用的光學(xué)系統(tǒng)多為反射杯，但其控制光線的能力有限，對(duì)于小角度的光線無(wú)法進(jìn)行很好的控制，想要達(dá)到小角度精確照明的配光效果，往往需要較大的體積，且容易產(chǎn)生雜散光，使得接收面功能區(qū)域的相對(duì)光利用率較低。

面向單顆LED的小型TIR（total?internal?reflection）透鏡可以較好的完成窄光束配光要求，但當(dāng)其應(yīng)用于COB型LED光源時(shí)，出光效果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。而普通透鏡通常只能對(duì)LED光源發(fā)出的與其光軸成一定角度以內(nèi)的光線調(diào)整方向，無(wú)法控制大角度的光線，也存在接收面功能區(qū)域的相對(duì)光利用率較低的問題。

因此，如何解決COB型LED光源配光難的問題，實(shí)現(xiàn)窄光束精確照明的功能及其設(shè)計(jì)方法，是LED照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其是用于商業(yè)照明領(lǐng)域亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)COB型LED光源的光能量進(jìn)行合理分配的窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)如何提高LED燈具的光能利用率，提供一種以COB型LED為光源的配光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小角度的重點(diǎn)照明，并且實(shí)現(xiàn)照明區(qū)域較高的光度均勻性和色度均勻性的效果。主要解決原有傳統(tǒng)反射器式或透鏡式光學(xué)系統(tǒng)的缺陷與不足。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)，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(duì)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。

其中一種結(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)。

所述COB型LED光源發(fā)出的0度至α度的光線透過(guò)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(guò)自由曲面透鏡側(cè)壁，經(jīng)過(guò)自由曲面反射杯內(nèi)表面反射，分布在照明區(qū)域內(nèi)。

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。所述透鏡頂部外表面制成菲涅爾透鏡。

所述自由曲面反射杯的內(nèi)表面為鍍層處理。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。

本發(fā)明還提供一種權(quán)利要求1所述的窄光束LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，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(diǎn)，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L(zhǎng)ED光源左邊緣R_l的光線與y軸的交點(diǎn)，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(diǎn)X₀作為透鏡外表面曲線的起始點(diǎn)，并使X₀點(diǎn)處的法線豎直向上；

3）根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒式