一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统，涉及光学成像领域，包括LED光源、用于将LED光源所发出的光校准成平行光的全内反射准直透镜、垂直于平行光的第一透镜阵列以及垂直于平行光的第二透镜阵列；第一透镜阵列包括多个阵列排列的微透镜，每个微透镜包括内平凸透镜和外平凸透镜，内平凸透镜曲率大于外平凸透镜；第二透镜阵列与第一透镜阵列完全相同；第二透镜阵与第一透镜阵列镜像对称设置且位于第一透镜阵列的内平凸透镜焦面处。本发明专利技术可以较为集中、节能地实现中空光斑的成像，且适用于任何形状的中空光斑。且适用于任何形状的中空光斑。且适用于任何形状的中空光斑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统


[0001]本专利技术涉及光学成像领域，更具体地说，涉及一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统。

技术介绍

[0002]由于LED具有体积小、寿命长、光效高、可控性强等特点，使得LED广泛应用到照明领域。随着LED光源技术的成熟，在一些特殊场合中LED光源的使用要求逐渐提高。针对一些特殊场合需要的不同于传统的照明光斑，可采用LED光源实现对称形状光斑照明技术。针对特殊环境，传统的LED照明光斑不能满足环境的要求，可能导致能源的浪费。
[0003]大部分LED光源的光强分布符合朗伯分布，如果没有经过配光，照到目标面上是一个照度不均匀的圆形光斑，不能满足特殊环境的照明需求。目前已有的设计方法多为矩形光斑的设计方法，也有圆形光斑的设计方法。现有针对特殊环境的光学系统设计，在已有的自由曲面准直透镜基础上采用经过设计的微透镜阵列进行光学系统设计，能够实现许多不同形状的对称形状光斑，解决实现在特殊环境下需要不同形状的光斑问题。对称形状光斑照明在生活中是较为常见的一种情况。例如，在某些场合需要照明的区域为正方形，圆形或三角形，甚至是只需要照明某些形状的轮廓。在对于被照区域为对称形状的照明中，采用传统的照明灯具会存在照明效果不均匀，浪费能源，以及由于光斑与被照明区域不相符导致眩光等现象，这样浪费能源，照明效率不高是绿色照明理念所不提倡的。其中一种较难实现的光斑是中空光斑，这种光斑经常采取中间放置遮挡物的形式形成，这种形式使得遮挡部分的光能白白浪费。针对这类光斑，研究具有广泛适用性并且可以实现不同形状照明的光学系统设计方法是本领域一个急需解决的难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统，以解决以较为节能方式形成中空光斑的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0006]一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统，包括LED光源、用于将LED光源所发出的光校准成平行光的全内反射准直透镜、垂直于平行光的第一透镜阵列以及垂直于平行光的第二透镜阵列；
[0007]第一透镜阵列包括多个阵列排列的微透镜，每个微透镜为一个一个带有凹槽的平凸透镜；平凸透镜的平面表面朝向平行光的入射方向，平凸透镜的凸面中部开设有凹槽，凹槽将平凸透镜的凸面分割为外凸面与内凸面，凹槽底面即为内凸面；内凸面的曲率处处相等且大于外凸面的曲率；内凸面与平凸透镜的平面形成内平凸透镜，外凸面与平凸透镜的平面形成外平凸透镜；内凸面的中心点的切面为垂直于平行光的第一平面，内平凸透镜背离平行光光源的焦面为第二平面；平行于第一平面与第二平面且位于第一平面与第二平面正中间的平面为第三平面；
[0008]第二透镜阵列与第一透镜阵列完全相同；第二透镜阵列以第三平面为镜像面与第一透镜阵列镜像对称设置。
[0009]系统还包括顶部开口的筒式外壳，LED光源固定于筒式外壳的内底部，全内反射准直透镜、第一透镜阵列以及第二透镜阵列依次从筒式外壳的内底部朝顶部排列固定于筒式外壳的内部。
[0010]系统还包括垂直于平行光的光屏；光屏与第二透镜阵列的间距为d1，平行光经过第一透镜阵列内的外平凸透镜与第二透镜阵列内的外平凸透镜折射后的焦点与第二透镜阵列的间距为d2；d1＞d2。
[0011]第一微透镜阵列、第二微透镜阵列可采用适用于各种LED光源波段的透光材料，包括PMMA，PC，玻璃，晶体等。
[0012]本专利技术相对于现有技术的优点在于，本专利技术可以将LED光源发出的光经过各种特制透镜的折射、反射等，形成特定构型的中空光斑构型，且这样的光斑相比普通的遮挡形式较为集中，从而使得光斑更亮，并更加节约LED能量。除此之外，采用阵列形式，能够一次形成多个光斑。由于可以自行调整微透镜的构型，从而能够适用于任意中空光斑的形成，适用范围广。
附图说明
[0013]图1是本专利技术系统整体侧面剖视图；
[0014]图2是本专利技术系统外轮廓为正方形、内轮廓为十字形的单个微透镜的立体图；
[0015]图3是本专利技术系统外轮廓为正方形、内轮廓为十字形的单个微透镜的俯视图；
[0016]图4是本专利技术外轮廓为正方形、内轮廓为十字形的系统单个微透镜的侧面剖视图；
[0017]图5是本专利技术中外轮廓为正方形、内轮廓为十字形的微透镜阵列的立体图；
[0018]图6是本专利技术中外轮廓为正方形、内轮廓为十字形的微透镜阵列的俯视图；
[0019]图7为本专利技术系统的原理示意图；
[0020]图8为本专利技术实现的外轮廓为正方形，内轮廓为十字形的光斑照度图；
[0021]图9为本专利技术实现的外轮廓为正六边形，内轮廓为圆形的光斑照度图。
[0022]图中，1、筒式外壳，2、全内反射准直透镜，3、第一透镜阵列，4、内平凸透镜，5、外平凸透镜，6、第二透镜阵列，7、第一表面，8、第二表面，9、第三表面。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作描述。
[0024]如图1至图9所示，本专利技术一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统，包括LED光源、用于将LED光源所发出的光校准成平行光的全内反射准直透镜2、垂直于平行光的第一透镜阵列3以及垂直于平行光的第二透镜阵列6；
[0025]第一透镜阵列3包括多个阵列排列的微透镜，每个微透镜为一个一个带有凹槽的平凸透镜；平凸透镜的平面表面朝向平行光的入射方向，平凸透镜的凸面中部开设有凹槽，凹槽将平凸透镜的凸面分割为外凸面与内凸面，凹槽底面即为内凸面；内凸面的曲率处处相等且大于外凸面的曲率；内凸面与平凸透镜的平面形成内平凸透镜4，外凸面与平凸透镜的平面形成外平凸透镜5；内凸面的中心点的切面为垂直于平行光的第一平面，内平凸透镜
4背离平行光光源的焦面为第二平面；平行于第一平面与第二平面且位于第一平面与第二平面正中间的平面为第三平面；
[0026]第二透镜阵列6与第一透镜阵列3完全相同；第二透镜阵列6以第三平面为镜像面与第一透镜阵列3镜像对称设置。
[0027]系统还包括顶部开口的筒式外壳1，LED光源固定于筒式外壳1的内底部，全内反射准直透镜2、第一透镜阵列3以及第二透镜阵列6依次从筒式外壳1的内底部朝顶部排列固定于筒式外壳1的内部。
[0028]系统还包括垂直于平行光的光屏；光屏与第二透镜阵列6的间距为d1，平行光经过第一透镜阵列3内的外平凸透镜5与第二透镜阵列6内的外平凸透镜5折射后的焦点与第二透镜阵列6的间距为d2；d1＞d2。
[0029]本专利技术能够实现中空对称光斑的成像。具体来说，如果需要形成的光斑的外轮廓是A(比如图中的正方形)，光斑的内轮廓是B(比如图中的十字形)，那么就将微透镜的外轮廓设计成轮廓A(即外平凸透镜5的外轮廓设计成A)，将微透镜的凹槽形状设计成轮廓B(即内平凸透镜4的外轮廓设计成B)。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微透镜阵列形成异形轮廓光斑的LED光学系统，其特征在于，包括LED光源、用于将所述LED光源所发出的光校准成平行光的全内反射准直透镜(2)、垂直于所述平行光的第一透镜阵列(3)以及垂直于所述平行光的第二透镜阵列(6)；所述第一透镜阵列(3)包括多个阵列排列的微透镜，每个所述微透镜为一个一个带有凹槽的平凸透镜；所述平凸透镜的平面表面朝向所述平行光的入射方向，所述平凸透镜的凸面中部开设有所述凹槽，所述凹槽将所述平凸透镜的凸面分割为外凸面与内凸面，所述凹槽底面即为所述内凸面；所述内凸面的曲率处处相等且大于所述外凸面的曲率；所述内凸面与所述平凸透镜的平面形成内平凸透镜(4)，所述外凸面与所述平凸透镜的平面形成外平凸透镜(5)；所述内凸面的中心点的切面为垂直于所述平行光的第一平面，所述内平凸透镜(4)背离所述平行光光源的焦面为第二平面；平行于所述第一平面与所述第二平面且位于所述第一平面与所述第二平面正中间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云翠，陈宇昂，谢蓄芬，樊敏菊，严舒涵，贾奕武，张晶，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：