中心分光反射式光学单元及系统及制作方法.pdf

本发明涉及半导体发光器件领域，公开了一种中心分光反射式光学单元，包括LED光源(1)及反射式光学单元，该反射式光学单元包括设于LED光源(1)出光光轴上的中心分光反射曲面(3)及设于LED光源(1)侧边的侧面反射曲面(4)，且中心分光反射曲面(3)与侧面反射曲面(4)之间留有透光区域(2)。本发明还提供了一种中心分光反射式光学系统及中心分光反射式光学单元的制作方法。本发明能够大幅度改变光源的角度配光。

1、  一种中心分光反射式光学单元，其特征在于：所述的光学结构在LED光源的出光光路具有中心分光反射面，中心分光反射曲面位于LED光源出光光轴上。

2、  根据权利要求1所述的中心分光反射式光学单元，其特征在于：该LED光源(1)出光光路两的侧边设有侧面反射曲面(4)，且中心分光反射曲面(3)与侧面反射曲面(4)之间留有透光区域(2)。

3、  根据权利要求1所述的中心分光反射式光学单元，其特征在于：该中心分光反射曲面(3)为向LED光源(1)凸起的曲面，侧面反射曲面(4)与出光光轴呈一定倾斜角且沿出光光轴往外倾斜。

4、  根据权利要求3所述的中心分光反射式光学单元，其特征在于：该透光区域(2)填充有一层透明物质(42)。

5、  根据权利要求2所述的中心分光反射式光学单元，其特征在于：该中心分光反射曲面(3)及侧面反射曲面(4)为在透明物质(42)上采用电镀、真空蒸镀、溅射、反射薄片粘贴或表面抛光的方法所形成的具有反射效果的界面。

6、  根据权利要求2所述的中心分光反射式光学单元，其特征在于：该中心分光反射面(21)为以下曲面中的任何一种：平面、球面、椭球面、双曲面、抛物面、锥面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以上所述曲面中任何一种或两种以上的面拼接而成。

7、  根据权利要求2所述的中心分光反射式光学单元，其特征在于：该侧面反射曲面(4)为以下曲面中的任何一种：平面、球面、椭球面、双曲面、抛物面、锥面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以上所述曲面中任何一种或两种以上的面拼接而成。

8、  一种中心分光反射式光学系统，其包括一功能平板及设于功能平板上并实现电连接的多个LED光源及位于功能平板上的反射式光学模组，其特征在于：该反射式光学模组由多个权利要求1所述的反射式光学单元拼接构成，且每个反射式光学单元与每个LED光源一一对应。

9、  一种中心分光反射式光学系统，其包括一功能平板及设于功能平板上并实现电连接的多个LED光源及位于功能平板上的反射式光学模组(30)，其特征在于：该反射式光学模组(30)包括间隔分布的权利要求1所述的反射式光学单元及第二反射式光学单元(34)拼接构成，该第二反射式光学单元由设于LED光源侧边的侧面反射曲面构成。

10、  一种权利要求5所述的中心分光反射式光学单元的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将台体状的透明物体的上下台面各挖去一个空腔(54、51)；
(2)将LED光源设于下台面的空腔(51)内；
(3)在上台面的空腔(54)表面形成反射面以形成中心分光反射曲面；
(4)在台体四周侧面形成另一反射面以形成侧面反射曲面。

中心分光反射式光学单元及系统及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种中心分光反射式光学单元及系统及中心分光反射式光学单元的制作方法。
背景技术
白炽灯和荧光灯之后，被誉为照明领域的″第三次革命″的半导体照明具有体积小，高效，直流低压，绿色环保，寿命长，显色性高等优点，其市场巨大，发展迅猛。目前商用大功率白光LED的发光效率已达到80lm/W，使用寿命30000小时，2010年将达或超过100lm/W，2015年将达到150～200lm/W，使用寿命100000小时。其发展前景已经十分明确，即在大部分应用领域取代传统光源。
目前采用LED作为路灯光源是LED应用的热点。根据LED光源本身角度配光具有能量集中在光轴方向的特点，通过一定规律的几何排布可以使灯具照明范围扩展，例如中国实用新型专利200520062069.3所描述的“LED路灯”把LED安装在突起的安装面上，能扩大LED路灯的照射范围。中国发明专利200610049888.3所描述的“大功率LED路灯”把大功率LED置于散热底座表面，每个LED灯头套接有对应透镜，并夹装在透光罩和散热底座之间，该方法利用透镜实现光强角度的扩展。但以上两种方法对调整灯具角度配光的效果有限，所形成的光斑仍然为类圆形，且路面照度均匀度低。
为了获得最高的利用效率，适用于道路照明的照明效果应该是灯具发出的大部分光射向远离灯的出光面方向，能量集中位于道路有效照明范围内且照度均匀，对于一般的LED光源，这需要对配光进行大幅度的调整。中国发明申请专利200710118965.0所描述的“一种用于LED光源的透镜”巧妙地利用透镜与空气间的大折射率差造成界面全反射，把射到侧面的光经过全反射和折射射向所需的角度，但这种设计方式需要同时考虑光源配光、材料折射率、折射率对全反射角影响及出光界面角度偏转等诸方面因素，设计复杂，且对光源出光可调节范围有限。中国发明申请专利200710044721.2所述的“一种形成矩形光斑的LED路灯装置”通过侧面反射杯把LED出光变为平行光，并通过出光面的微透镜控制光的出光方向，但采用反射杯仅能把光源发出的一部分光反射为平行光，同时，微透镜亦不可能对大面积光源实施有效的大角度扩展，难以实现大角度矩形光斑。中国发明申请专利200710073278.1所述的“LED路灯及其透镜”通过在灯罩上制作三维立体透镜组与每个LED一一对应，实现照明矩形光斑的目的，但这种结构的灯罩外表面结构复杂，容易积聚灰泥影响出光效果。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种实现大幅度调整光源角度配光的中心分光反射式光学单元。
另外，本发明还提供了一种中心分光反射式光学系统及中心分光反射式光学单元的制作方法。
所述的中心分光反射式光学结构由LED光源，透光区域，中心分光反射曲面和侧面反射曲面四部分组成。所述的四部分之间的关系满足：中心分光反射曲面位于LED光源出光光轴上，侧面反射曲面位于LED光源侧面，中心分光反射曲面与侧面反射曲面之间留空区域形成透光区域。LED光源发出的部分光在中心分光反射曲面或侧面反射曲面发生不少于一次反射后射向特定的方向，并与其余光在透光区域混合出射。
本发明的中心分光反射式光学结构包含LED光源，透光区域，中心分光反射曲面和侧面反射曲面四部分。所述的四部分之间的关系满足：中心分光反射曲面位于LED光源出光光轴上，侧面反射曲面位于LED光源侧面，中心分光反射曲面与侧面反射曲面之间留空区域形成透光区域。
其中，中心分光反射曲面是向LED突起的曲面。
由LED光源发出的近光轴方向光投射在中心分光反射曲面后反射至远光轴方向；由LED光源发出的部分光没有投射在任意反射曲面上；由LED光源发出的远光轴方向光投射在侧面反射曲面后反射至近光轴方向；由LED光源发出的特殊角度光经过不少于两次反射；以上四种光在出光区域混合获得新的角度配光曲线。
本发明中心分光式光学结构的设计思路与其他反射式光学设计有很大差异，出光光路中设置中心反射曲面是本发明的重要特征，而这种结构特别适用于泛光光学设计。过去的反射式光学设计关注侧面反射曲面，通过调整远光轴方向的光，使出射光集中于光轴方向，其典型的应用局限于手电筒反射杯，探照灯反射杯等聚光场合。在本发明中，通过创新的在出光光路中设置中心反射曲面，将近光轴光反射至远光轴方向，而通过侧面反射曲面，对灯具近光轴方向合理配光，实现大幅度调整光源的配光曲线的目的，而通过调整中心分光曲面、侧面反射曲面的曲面形状，从而获得均匀的反光照射效果。对中心反射面及侧面反射曲面形状的设计，其设计过程一般包括非成像曲面理论计算，数值模拟及实体验证三个步骤。第一步非成像曲面理论计算是根据光源特点和所需要的光学效果特征选择反射曲面的类型，并计算出曲面轮廓的数值方程；第二步数值模拟是在计算机中建立光学实体模型，通过蒙特卡罗光线追迹的方式模拟光学效果，常用的模拟软件包括Tracepro，ASAP，LightTool等；第三步实体验证是通过快速成型或模具制作出所设计的光学元件，通过光学设计测试平台，验证实际的光学效果，并与设计比对及对实体模型进行调整，获得最优的设计结构。
为了说明中心分光反射式光学结构具有实用的照明设计效果，我们采用Tracepro建立光学模型，令接受面距离光源10米，观察接受面上的光斑及光斑的均匀度。采用LED光源直接照射时，接受面上看到的是一个仅中心照度强，但外围照度暗的圆斑，光斑均匀度低；而采用中心分光反射式光学结构后，接收面上获得一个大面积的长条形亮斑，光斑均匀度高。
本发明所提出的中心分光反射式光学设计能够大幅度改变LED光源配光曲线，较一般侧面反射式光学设计和非球面透镜式光学设计有明显优点：中心分光式结构能调整光源的近轴向出射光，能够获得泛光式大面积均匀照明，而侧面反射式结构仅调整光源的远轴向出射光，仅能获得聚光效果；采用非球面透镜也能实现大幅度调整配光曲线，但非球面透镜设计及制作远比反射式结构复杂。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的的光路分析图；
图3为本发明实施例2的结构示意图；
图4a、4b分别为图3的侧视纵向截面图和横向截面图；
图5为本发明实施例6的结构示意图；
图6为本发明制作的以透明物为反射面载体的结构图；
图7为本发明实施例7的中心分光反射式光学单元的结构图；
图8为采用实施例7组成的中心分光反射式光学系统的结构示意图；
图9为现有台灯光学结构；
图10为应用本发明实现的台灯光学结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明所公开的一种中心分光反射式光学单元，如图1所示，包括LED光源1及反射式光学单元，该反射式光学单元包括设于LED光源1出光光轴5上的中心分光反射曲面3及设于LED光源1侧边的侧面反射曲面4，且中心分光反射曲面3与侧面反射曲面4之间留有透光区域2。如图2所示，由LED光源1发出的近光轴方向光11投射在中心分光反射曲面3后反射至远光轴方向；由LED光源1发出的部分光12不能投射在任意反射曲面上；由LED光源1发出的远光轴方向光13投射在侧面反射曲面4后反射至近光轴方向；由LED光源1发出的特殊角度光14经过不少于两次反射；以上四种光在出光区域2混合获得新的角度配光曲线。
该中心分光反射曲面3为向LED光源1凸起的曲面，侧面反射曲面4与出光光轴呈一定倾斜角且沿出光光轴往外倾斜。
该中心分光反射面21为以下曲面中的任何一种：平面、球面、椭球面、双曲面、抛物面、锥面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以上所述曲面中任何一种或两种以上的面拼接而成。
该侧面反射曲面4为以下曲面中的任何一种：平面、球面、椭球面、双曲面、抛物面、锥面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以上所述曲面中任何一种或两种以上的面拼接而成。
实施例2
本实施例公开了其中一种中心分光反射式光学单元，图3是这种光学结构的三维图，主要包括LED光源1与反射式光学单元20两部分，图4a及4b是这种光学结构组装后的侧向二维视图。中心分光反射面为一个类三棱柱21的两个斜面，侧面反射面为由四个曲面围成的碗形反射面22，中心分光反射面与侧面反射面制作在一个不规则形状的反射体20表面，该反射体中形成一个与LED光源灯头10外形匹配的空腔。
实施例3
本实施例的结构与实施例1相似，其在实施例1上进一步将该透光区域2填充一层透明物质42。该中心分光反射曲面3及侧面反射曲面4为在透明物质42上采用电镀、真空蒸镀、溅射、反射薄片粘贴或表面抛光的方法所形成的具有反射效果的界面。
实施例4
本实施例提供了一种中心分光反射式光学系统，其包括一功能平板及设于功能平板上并实现电连接的多个LED光源及位于功能平板上的反射式光学模组，该反射式光学模组由多个实施例1所述的反射式光学单元拼接构成，且每个反射式光学单元与每个LED光源一一对应。由此实现LED大功率模块化集成。
实施例5
如图5所示，本实施例提供了另外一种中心分光反射式光学系统，其包括一功能平板32及设于功能平板32上并实现电连接的多个LED光源31及位于功能平板32上的反射式光学模组30，该反射式光学模组30包括间隔分布的实施例1所述的反射式光学单元33及第二反射式光学单元34拼接构成，该第二反射式光学单元34由设于LED光源31侧边的侧面反射曲面构成。LED光源发出的光分别经过两种反射单元后获得的混合光能够获得与单独使用其中一种反射单元所不同的效果。
实施例6
本实施例提供了一种实施例3所述的中心分光反射式光学单元的制作方法，如图6所示，其包括以下步骤：
(1)将台体状的透明物体的上下台面各挖去一个空腔54、51；
(2)将LED光源设于下台面的空腔51内；
(3)在上台面的空腔54表面形成反射面以形成中心分光反射曲面；
(4)在台体四周侧面形成另一反射面以形成侧面反射曲面。
反射面的形成方式可采用电镀、真空蒸镀、溅射、反射薄片粘贴或表面抛光的方法，该透明物质由高分子透明聚合物或玻璃材料组成。
实施例7
本实施例公开了另一种采用本发明的中心分光反射式光学单元的制作方法。如图7所示，图中LED光源41固定在具有内凹结构的封装支架40上，封装支架的内凹斜面43制作成侧面反射面，LED芯片表面涂覆荧光粉或不涂覆荧光粉，内凹杯碗内灌封一层透明物质42。透明物中制作一个物质组成不同于该透明物的异质材料区域，并在该异质材料区域的表面44制作中心分光反射界面，该反射界面可以通过以下方式的任意一种实现：放置一个反射体，放置一个折射率远小于透明物42的物体，把该区域留空，把该区域留空且在该区域表面蒸镀反射层。在所述表面44和支架内凹斜面43间形成透光区域。因此，本发明所需要的中心分光反射面和侧面发射面，出光区域，光源均齐备，能实现本发明所要达到的功能。图8是将以上设计为单元的多芯片LED封装结构。
实施例8
如图9所示，以下公开一种采用本发明“一种用于LED光源的中心分光反射式光学结构”实现的台灯光学结构。类似实施例1的，可以通过中心分光反射式光学结构在台灯下获得大面积的均匀的照明效果，但在这里，中心分光反射式光学结构还有一个更重要的作用——解决LED台灯遮挡物下严重重影的问题。LED台灯一般采用多颗LED61集成照明，当光源下有遮光物62，各颗LED发出的光在遮光物下分别形成阴影区，由于LED光源发光面细小，使阴影区边界十分锐利，当多个阴影区叠加，在桌面60就形成明显的重影63，而这种效果容易造成视觉疲劳。解决的方法是令光源面积增大，目前一般采用在光源与工作区之间添加光扩散层的方法，但此举造成LED出光量严重减小。采用中心分光反射式光学结构能够有效解决重影的问题。本发明设计方法是利用中心分光反射曲面64令LED发出的光不能直接照射在工作区域，又通过中心分光反射曲面与侧面反射曲面配合，使LED光源在反射面后形成放大的虚像65，从而令有效发光面积增大，继而获得渐变的阴影过渡66。