窄光束LED照明光学系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开一种窄光束LED照明光学系统及其设计方法，以自由曲面透镜和自由曲面反射杯对COB型LED光源发出的光进行区域化互补控制；自由曲面透镜控制COB型LED光源发出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源发出的大角度的光。本发明专利技术结合透镜和反射杯的各自优点，克服了单纯用反射杯或者透镜无法利用所有光线的缺点。并运用菲涅尔透镜将小角度光线汇聚，使光学系统达到轻、薄和小的效果，减小透镜中心厚度，提高光效率；同时，将阶梯状微结构透镜运用于透镜内侧面，实现同一套光学系统适用于不同尺寸大小的COB型光源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LED照明光学系统，尤其涉及一种用于多芯片集成式高功率LED (C0B型LED)的二次光学系统，以及实现小角度窄光出射效果的一种设计方法，属于非成像光学

技术介绍
LED光源本身是一个近似的朗伯光源，难以满足各种照明用途的需求，因此必须根据不同的应用场合，针对LED光源设计不同的光学系统，对LED光源发出的光进行整形，进行光能量的二次分布。随着电路板上直接芯片封装(COB)技术的发展，其高功率密度、色度均匀及体积小等特点，使COB型LED光源越来越多的应用到商业照明中。COB型LED光源面积较单颗LED光源大很多，将数十颗LED芯片集成封装时,光源面积能达到到25mm*25mm,该光源的优势在于大大降低了 LED光源的数量，减小了灯具面积，降低灯具成本，较低的色容差使应用灯具具有较好的颜色一致性。然而，面向COB型光源的二次光学设计却较为困难。目前大多数专利的设计方法均基于近似点光源的设计，而COB型LED属于扩展光源，点光源设计方法不再适用于COB型LED。目前采用的光学系统多为反射杯，但其控制光线的能力有限，对于小角度的光线无法进行很好的控制，想要达到小角度精确照明的配光效果，往往需要较大的体积，且容易产生杂散光，使得接收面功能区域的相对光利用率较低。面向单颗LED的小型TIR (total internal reflection)透镜可以较好的完成窄光束配光要求，但当其应用于COB型LED光源时，出光效果会产生严重畸变。而普通透镜通常只能对LED光源发出的与其光轴成一定角度以内的光线调整方向，无法控制大角度的光线，也存在接收面功能区域的相对光利用率较低的问题。因此，如何解决COB型LED光源配光难的问题，实现窄光束精确照明的功能及其设计方法，是LED照明
，尤其是用于商业照明领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对COB型LED光源的光能量进行合理分配的窄光束LED照明光学系统及其设计方法。本专利技术要解决的技术问题在于，针对如何提高LED灯具的光能利用率，提供一种以COB型LED为光源的配光系统，实现小角度的重点照明，并且实现照明区域较高的光度均匀性和色度均匀性的效果。主要解决原有传统反射器式或透镜式光学系统的缺陷与不足。本专利技术的技术方案如下:一种窄光束LED照明光学系统，包括COB型LED光源、自由曲面透镜以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透镜和自由曲面反射杯对COB型LED光源发出的光进行区域化控制；其中，自由曲面透镜控制COB型LED光源发出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源发出的大角度的光。其中一种结构为:所述自由曲面透镜设置在自由曲面反射杯的内部杯底并与自由曲面反射杯相连，所述COB型LED光源设置在自由曲面反射杯的内部杯底与自由曲面透镜的内腔所围成的空间之内。所述COB型LED光源发出的O度至α度的光线透过自由曲面透镜顶部，均匀分布在β度以内；所述COB型LED光源发出的α度到90度的光线透过自由曲面透镜侧壁，经过自由曲面反射杯内表面反射，分布在照明区域内。所述自由曲面透镜包括透镜顶部、透镜侧壁和透镜底部；所述透镜顶部由内表面和外表面组成；所述透镜顶部外表面是上凸或下凹的自由曲面。所述透镜顶部外表面制成菲涅尔透镜。所述自由曲面反射杯的内表面为镀层处理。所述自由曲面反射杯的内表面为鳞甲结构，所述鳞甲高度不高于0.05_。本专利技术还提供一种权利要求1所述的窄光束LED照明光学系统的设计方法，以光源所在平面为X轴，中垂线为I轴建立坐标系，以光源中心为原点，设扩展光源半径为R，生成透镜自由曲面以及反射杯自由曲面；生成透镜自由曲面的步骤如下:I)设H为LED光源左边缘R1的光线与y轴的交点，坐标为(0，H)；2)根据光源尺寸D (D=2R)，取第一次折射光线上的点Xtl作为透镜外表面曲线的起始点，并使\点处的法线]^竖直向上；3 )根据光学扩展量守恒式权利要求1.一种窄光束LED照明光学系统，其特征在于:包括COB型LED光源、自由曲面透镜以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透镜和自由曲面反射杯对COB型LED光源发出的光进行区域化控制；其中，自由曲面透镜控制COB型LED光源发出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源发出的大角度的光。2.根据权利要求1所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于:一种可行的结构为:所述自由曲面透镜设置在自由曲面反射杯的内部杯底并与自由曲面反射杯相连，所述COB型LED光源设置在自由曲面反射杯的内部杯底与自由曲面透镜的内腔所围成的空间之内。3.根据权利要求2所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于:所述COB型LED光源发出的O度至α度的光线透过自由曲面透镜顶部，均匀分布在β度以内；所述COB型LED光源发出的α度到90度的光线透过自由曲面透镜侧壁，经过自由曲面反射杯内表面反射，分布在照明区域内。4.根据权利要求1或2或3所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于:所述自由曲面透镜包括透镜顶部、透镜侧壁和透镜底部；所述透镜顶部由内表面和外表面组成；所述透镜顶部外表面是上凸或下凹的自由曲面。5.根据权利要求4所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于:所述透镜顶部外表面制成菲涅尔透镜。6.根据权利要求1或2或3所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于:所述自由曲面反射杯的内表面为镀层处理。7.根据权利要求6所述窄光束LED照明光学系统，其特征在于:所述自由曲面反射杯的内表面为鳞甲结构，所述鳞甲高度不高于0.05_。8.—种权利要求1所述的窄光束LED照明光学系统的设计方法，其特征在于:以光源所在平面为X轴，中 垂线为I轴建立坐标系，以光源中心为原点，设扩展光源半径为R，生成透镜自由曲面以及反射杯自由曲面； 生成透镜自由曲面的步骤如下: 1)设H为LED光源左边缘R1的光线与y轴的交点，坐标为(0，H)； 2)根据光源尺寸D(D=2R)，取第一次折射光线上的点Xtl作为透镜外表面曲线的起始点，并使Xtl点处的法线)^竖直向上； 3)根据光学扩展量守恒式 β InxD= J Ldβ -β 求出投射宽度L ;其中，D为光源直径，β为出射光线与y轴夹角，η为光学材料的折射率； 4)直线a为R1出射光线，取与其距离L的直线b作为光源边缘艮的出射光线，在直线b上取点Y。； 5)根据折射定律矢量形式 ’LlULl Lttl ^ tilt ULltAUii'' _ N = On1- η In求出Ytl点得法线方向K ;其中:和E分别为出射和入射光线单位矢量，$为界面法线单位矢量； 6)根据Xtl,Y0的坐标以及它们的法线方向和Λ丨，插值一条连续曲线，使之通过X。和Yci,同时在这两点满足法线方向%和$ ;由此可以拟定一条连续曲线ΧΛ)作为计算起始曲线； 7)将初始曲线XciYtl划分η小段，得到曲线上的η+1点，分别为Xtl Xn,对应未知曲线的点Y0 Yn; 8)取Xtl较近一点X1,出射光线为直线C，把距直线C为L的直线d作为艮经透镜折射后的另一条光线；计算出直线d与Y0点得切线的交点Y1，根据折射定律矢量形式计算出Y1点得法线方向；同样根据X1, Y1的坐标以及它们的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种窄光束LED照明光学系统，其特征在于：包括COB型LED光源、自由曲面透镜以及自由曲面反射杯；所述自由曲面透镜和自由曲面反射杯对COB型LED光源发出的光进行区域化控制；其中，自由曲面透镜控制COB型LED光源发出的小角度的光，自由曲面反射杯控制COB型LED光源发出的大角度的光。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张尚超，张顺清，袁卫星，扬东建，梅杰，
申请(专利权)人：无锡实益达电子有限公司，
类型：发明
国别省市：