基于折衍混合的LED照明系统技术方案

折衍混合的LED照明系统，涉及一种基于折衍混合的照明系统，解决了现有照明系统中，照明系统设计复杂、体积偏大、照明不均匀、光能利用率低的问题。包括：导热性能高的曲面基板1、LED芯片2、高折射率凸透镜3和衍射光学元件4。LED芯片发出的光经凸透镜折射会聚，部分光经曲面基板反射，在衍射光学元件前形成近朗伯光源面，经衍射光学元件在照明面上实现均匀照明或特殊照明。本发明专利技术所述的照明系统具有照明效率高、设计简单灵活、结构轻巧紧凑、易于加工制造的特点。

LED illumination system based on hybrid refractive diffractive

Hybrid LED lighting system, relates to a lighting system based on hybrid, solve the existing lighting system, lighting system design complexity, the size is large and uneven illumination and low light efficiency problems. Including: curved substrate 4 with high thermal conductivity, 1 and LED chip 2, high refractive index convex lens 3 and diffractive optical element. LED chip light refracted by the convex lenses converge, part of light through the surface substrate, forming nearly Lambertian light in diffractive optical elements, the diffractive optical element for uniform illumination or special lighting lighting in the face. The lighting system of the invention has the characteristics of high lighting efficiency, simple and flexible design, light and compact structure, and easy processing and manufacture.

【技术实现步骤摘要】
基于折衍混合的LED照明系统
本专利技术涉及照明领域，尤其涉及一种基于折衍混合的LED照明系统。
技术介绍
LED芯片光源与传统光源相比较，具有高节能、寿命长、利环保、体积小、亮度高等突出的优点。随着单个LED光通量的不断提高，其在照明领域的应用也越来越受到青睐。由于LED与传统光源存在着一定的差异，传统照明系统的光学设计与结构不能充分发挥LED光源的优势。因此，为提高整个照明系统的性能，需针对LED芯片进行一次、二次光学设计。目前，一次光学设计一般都是将一次透镜与LED芯片粘合成一个整体，LED光源也主要是封装在平面基板上。此时，LED芯片最大发光角度是180度，而且LED芯片还会存在一些杂散光。通过一次透镜后，LED芯片发出的光虽能实现一定程度的会聚，但这并不能充分利用光能，为此，在使用LED光源时往往还会再配置一个反光杯。尽管如此，在照明面上还是无法实现均匀照明，故需要再次进行二次光学设计。二次光学设计在一定程度上实现了照明面上的均匀照明，但这却牺牲了LED在尺寸和亮度方面的优势。如何保证在照明面上实现均匀照明的同时，使LED照明系统具有照明效率高、设计简单灵活、结构轻巧紧凑、易于加工制造的特点是目前需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提供了一种基于折衍混合的LED照明系统，该系统不仅能够实现照明面上的均匀照明，而且该系统具有照明效率高、设计简单灵活、结构轻巧紧凑、易于加工制造的特点。基于折衍混合的LED照明系统，该系统包括导热性能高的曲面基板、LED芯片、高折射率凸透镜和衍射光学元件。折衍混合的LED照明系统中的LED芯片是直接贴装在导热性能高的曲面基板上的。导热性能高的基板不仅能够解决LED芯片的散热问题，而且还能够起到反光杯的作用，提高了系统的能量利用率。折衍混合的LED照明系统中的高折射率凸透镜，高效地收集了LED芯片发出的所有光线，并根据设计要求，以特定的出光角度出射光线，保证了整个照明系统的高效照明。折衍混合的LED照明系统中的衍射光学元件是实现均匀照明的关键。衍射光学元件具有体积小、重量轻、易复制、高衍射效率、更多的设计自由度、宽广的材料可选择性等特点。所以将衍射光学元件应用在折衍混合的LED照明系统中，不仅设计简单、可实现均匀照明，而且也保证了整个系统结构的轻巧紧凑。折衍混合的LED照明系统中的衍射元件设计自由灵活，因而可根据特殊的照明要求实现特定的照明效果。这使得折衍混合的LED照明系统的应用范围更为广阔。折衍混合的LED照明系统的组合，只需先将导热性能高的曲面基板、LED芯片和高折射率凸透镜根据设计要求设计并封装为一个整体，再将设计完成的衍射光学元件组装上即可。本专利技术的有益效果：1、系统照明均匀；2、照明效率高；3、设计简单灵活；4、结构轻巧紧凑；5、可根据照明效果设计衍射元件，适用范围广。附图说明图1单芯片折衍混合的LED照明系统的结构示意图；图2单芯片折衍混合的LED照明系统的沿对称轴的剖视图；图3单芯片折衍混合的LED照明系统在衍射元件前的光强分布曲线；图4单芯片折衍混合的LED照明系统实现均匀照明时照明面上的光强分布曲线；图5条形区域内的4个芯片折衍混合的LED照明系统。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。如图1、2所示，单芯片折衍混合的LED照明系统，包括导热性能高的曲面基板1、LED芯片2、高折射率凸透镜3和衍射光学元件4。贴装在导热性能高的曲面基板上的LED芯片发出的光经透镜折射，部分光经曲面基板的反射，入射到衍射光学元件，最终在照明面上实现了均匀的光强分布。衍射光学元件通过对入射光波的相位调制，改变光波的传播方向、振幅、相位和偏振态，可控制光的传播方向，提高照明亮度，实现高效照明和光强在照明面上的均匀分布。如图3所示，单芯片折衍混合的LED照明系统在衍射元件前的光强分布曲线近似为朗伯光源面的光强分布曲线。故该系统在不存在衍射光学元件的情况下，可看作朗伯光源，则在θ角方向光强为Iθ＝I0cosθ(1)式中I0为朗伯光源法线方向上的发光强度，θ为该发光面的法线与所指定的方向的夹角，此时在照明面上的光强分布不均匀。如图4所示，单芯片折衍混合的LED照明系统实现均匀照明时照明面上的光强分布曲线呈近平顶分布，可见，衍射元件实现均匀照明的效果明显，照明面上的光强分布可视作均匀。衍射光学元件的设计是在已知光学系统输入面光场复振幅分布|F(x，y)|的情况下，计算衍射光学元件的相位分布以正确调制入射光场，实现预期的照明面光场复振幅分布|U(x′，y′)|。但大多数情况下，无法直接求出衍射光学元件相位分布的解析解，故利用数值优化算法寻求在某种范数下的最优解。在某种光学功能下(范数已知)，该范数下的实际照明面复振幅分布与理想情况的差为最小时的即为衍射光学元件相位分布。用GS算法确定的具体步骤：第一步：任意给定一初始相位分布与入射光场复振幅分布|F(x，y)|构成入射波函数f(x，y)；第二步：对f(x，y)作傅里叶变换得g(u，v)；第三步：照明面上预期得到的振幅分布为|U(x′，y′)|，作傅里叶变换得|U(u，v)|；第四步：用g(u，v)的相位部分与|U(u，v)|构成函数g′(u，v)；第五步：对g′(u，v)作傅里叶逆变换得到下一步迭代波函数f′(x，y)。重复以上步骤直至均方误差SSE小于预先规定的指标ε，此时，最小，衍射光学元件相位分布为如图5所示，为条形区域内的4个芯片折衍混合的LED照明系统。导热性能高的基板是曲面的，可根据照明要求先对基板的曲面进行设计，再将LED芯片和凸透镜与曲面基板组合，最后组装上设计完成的衍射元件。整个设计过程简单灵活，加工制造时也方便快捷。此处只是简单的应用，折衍混合的LED照明系统可广泛应用于路灯、隧道灯、台灯等照明设计中。本专利技术的实现，使得LED照明系统的结构更为轻巧紧凑、设计更加简单灵活并且系统的照明效率更高，加工制造也更容易，适用范围更广。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于折衍混合的LED照明系统，该系统包括导热性能高的曲面基板1、LED芯片2、高折射率凸透镜3和衍射光学元件4；贴装在导热性能高的曲面基板上的LED芯片发出的光经透镜折射，部分光经曲面基板的反射，入射到衍射光学元件，最终在照明面上实现了均匀的光强分布。

【技术特征摘要】
1.基于折衍混合的LED照明系统，该系统包括导热性能高的曲面基板1、LED芯片2、高折射率凸透镜3和衍射光学元件4；贴装在导热性能高的曲面基板上的LED芯片发出的光经透镜折射，部分光经曲面基板的反射，入射到衍射光学元件，最终在照明面上实现了均匀的光强分布。2.根据权利要求1所述的基于折衍混合的LED照明系统，其特征在于：用于导热并会聚部分光线...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼俊，朱民，李本冲，王倩，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33