[發明專利]一種COB型LED聚光TIR透鏡系統及設計方法

有效

• 申請號: 201410159529.8
• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103900026B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 錢維瑩;高淑梅;徐超;蘇宙平
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21Y115/10
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司23211
• 代理人: 耿曉岳

技術領域

本發明涉及一種LED聚光透鏡，尤其涉及一種用于多COB（chips on board）型LED聚光TIR透鏡系統，及實現聚光型出射效果的一種設計方法。屬于綠色照明技術領域。

背景技術

隨著半導體技術的不斷發展，人們日常生活水平的提高，對LED燈具的光通量要求越來越高，小功率LED芯片無法滿足其要求。目前市場上的照明燈具通常以小功率LED芯片的模塊化來實現光通量的達標，但容易造成光色不勻和炫光刺眼等問題，同時帶來燈具體積過大的缺點。而電路板直接封裝芯片（COB）技術恰好滿足了高光通量的要求，能有效減小燈具體積，且給二次光學設計預留了更多的設計空間。COB型LED更因其光色均勻、體積小、設計靈活性強等特點，越來越多的應用到照業照明中。然而，LED光源是光強為朗伯分布的光源，如直接用于日常照明，會浪費大量光能。

目前多數專利的TIR(total internal reflection)透鏡設計方法僅適用于LED點光源，COB型光源如直接使用點光源理論設計的TIR透鏡，會跟預期設計目標有較大的偏差，出光效果會嚴重惡化，同時存在光效低下的問題。實際上，COB型LED在二次光學設計時，其尺寸已經無法像傳統點光源設計中以忽略不計處理，其屬于擴展光源的范疇。

發明內容

本發明旨在提供一種COB型LED聚光TIR透鏡系統及設計方法，對光能量進行合理的二次分配，實現照明區域高均勻度和色度的重點照明，解決以往點光源系統設計的TIR透鏡直接運用COB型LED時的缺陷與不足。

本發明所采用的技術方案是：一種COB型LED聚光TIR透鏡系統由COB型LED光源和聚光TIR透鏡兩部分組成；所述COB型LED光源采用大功率型（30W~80W）光源，發光面直徑的選擇范圍為10mm~25mm；所述聚光TIR透鏡由透鏡頂部和側壁兩部分組成；所述COB型LED光源出射的光線由聚光TIR透鏡進行分角度控制；其中，靠近光軸的大能量光線由TIR透鏡頂部折射控制，遠離光軸的小能量光線由TIR透鏡側壁全反射控制。所述聚光TIR透鏡設置在COB型LED光源的正上方，即COB型LED光源位于聚光TIR透鏡的頂部下表面自由曲面與側壁內表面圍成的腔體之內。所述聚光TIR透鏡包含透鏡頂部和透鏡側壁；所述透鏡頂部下表面是下凹的自由曲面，所述透鏡側壁外表面是弧狀的自由曲面，所述透鏡側壁內表面可以是球面、上凹或下凸的自由曲面。所述COB型LED光源發射的0~Ф的光線經聚光TIR透鏡的頂部下表面折射后準直出射，Ф~π/2的光線經聚光TIR透鏡側壁外表面全反射后準直出射。所述聚光TIR透鏡頂部上表面根據COB型LED光源邊界和透鏡高度確定裁剪區域，裁剪為變式菲涅爾透鏡結構。

設計方法的主要思想是COB型LED聚光TIR透鏡的初始結構由數值方法計算而得，在TracePro二次開發環境下，編寫使用于面光源的準直優化函數，COB型LED光源宏語言自動優化生成TIR透鏡的最佳結構，實現高均勻度、高光效的聚光照明要求。首先結合斯涅耳定律，運用切線與自由曲面近似處理，TIR透鏡頂部下表面的初始第一自由曲面的離散數據點由迭代計算所得。再后結合TracePro宏語言編寫的自定義準直函數，將COB型LED光源發射的小角度光線（光束角在0~Ф之間）進行聚光優化處理，最終形成最優第一自由曲面。同理，TIR透鏡側壁的外表面第二自由曲面對COB型LED光源發射的小角度光線（光束角在Ф~π/2之間）進行聚光優化處理，最終形成最優第二自由曲面。將得到的最優第一自由曲面和最優第二自由曲面，直接在TracePro中用宏語言旋轉命令生成TIR透鏡實體。具體步驟為：

1）設COB型LED光源（直徑為D）中心在O點，設聚光TIR透鏡頂部下表面的剖視結構為第一自由曲面，透鏡材料折射率為n，光束角度i在0~Ф之間；

2）設P₀(x₀，y₀）為第一自由曲面的起始點，又P₀在球面上，設球面半徑為R，由分界角Ф可知，P₀坐標確定。x₀=RsinФ，y₀=RcosФ

3）P₀點前取一點P₁（x₀－Δx，y₀－Δy)，其中Δx，Δy均為很小的量，這樣就可以認為P₁點出的切線向量等于P₀點處的切線向量。P₁點可以看作該點處入射光線與P₂點處的切線的交點；