《一种新型LED准直光学元件.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种新型LED准直光学元件.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102486292 A (43)申请公布日 2012.06.06 C N 1 0 2 4 8 6 2 9 2 A *CN102486292A* (21)申请号 201010571401.4 (22)申请日 2010.12.02 F21V 5/04(2006.01) F21V 7/06(2006.01) F21V 7/22(2006.01) F21Y 101/02(2006.01) (71)申请人西安中科麦特电子技术设备有限公 司 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工业 园信息大道17号 (72)发明人闫兴涛 张国琦 曹捷 (74)专利代理机构西安创知专利事务所。
2、 61213 代理人杨世兴 (54) 发明名称 一种新型LED准直光学元件 (57) 摘要 本发明公开了一种新型LED准直光学元件， 包括设置在底端的折射透镜和与折射透镜连为一 体的反光杯，折射透镜的下底为一用于放置LED 的内凹半球面开口，折射透镜的上表面由上半部 分和下半部分两部分组成，上半部分为根据特定 算法求得的自由曲面，上半部分的边界圆与折射 透镜的中心轴的夹角为45，下半部分为与内凹 半球面开口同心且使得LED出射光经该面不发生 偏折的半球面，反光杯的下底边缘与折射透镜的 下底边缘相重合，反光板的上端开口半径与反光 杯的杯体高度相等，反光杯的内壁为以LED所在 点位焦点的抛物面。本。
3、发明结构简单，设计合理， LED的利用效率高，对LED出射光的准直效果好， 使得LED可用于一些特殊照明场合，使用效果好， 便于推广使用。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种新型LED准直光学元件，其特征在于：包括设置在底端的折射透镜(1)和与折 射透镜(1)连接为一体的反光杯(2)，所述折射透镜(1)的下底为一用于放置LED的内凹半 球面开口(1-1)，所述折射透镜(1)的上表面由上半部分(1-2)和下半部分(1-3)两部分组 成，所。
4、述上半部分(1-2)为根据特定算法求得的自由曲面，所述上半部分(1-2)的边界圆与 折射透镜(1)的中心轴的夹角为45，所述下半部分(1-3)为与内凹半球面开口(1-1)同 心且使得LED出射光经该面不发生偏折的半球面，所述反光杯(2)的下底边缘与折射透镜 (1)的下底边缘相重合，所述反光板(2)的上端开口半径与反光杯(2)的杯体高度相等，所 述反光杯(2)的内壁为以LED所在点位焦点的抛物面。 2.按照权利要求1所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述折射透镜(1) 的下底口径与反光杯(2)的下底口径相等且连为一体。 3.按照权利要求1所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：。
5、所述折射透镜(1) 的制作材料为玻璃或塑料。 4.按照权利要求1所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述反光杯(2)的 制作材料为玻璃或塑料且所述反光杯(2)的内壁上涂覆有高反射率材料。 5.按照权利要求3或4所述的一种新型LED准直光学元件，其特征在于：所述玻璃为 光学玻璃。 权 利 要 求 书CN 102486292 A 1/3页 3 一种新型 LED 准直光学元件 技术领域 0001 本发明涉及LED照明技术领域，尤其是涉及一种新型LED准直光学元件。 背景技术 0002 由于在尺寸和节能方面的优势，越来越多的照明系统使用发光二极管(LED)作为 光源，在有些特殊使用场合则需要。
6、对LED出射光线进行准直。如内窥镜、指示灯等若采用 LED作为光源则必须对LED出射光准直后在聚焦应用。基于非成像光学的LED二次光学元 件，正是解决这一问题的关键技术。因此，通过给LED外部安装特定二次光学镜头才能满足 得到准直出射光的需求，并使LED节能环保、灵活耐用等优点得到充分体现。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种新型LED 准直光学元件，其结构简单，设计合理，LED的利用效率高，对LED出射光的准直效果好，使 得LED可用于一些特殊照明场合，使用效果好，便于推广使用。 0004 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型L。
7、ED准直光学元件，其 特征在于：包括设置在底端的折射透镜和与折射透镜连接为一体的反光杯，所述折射透镜 的下底为一用于放置LED的内凹半球面开口，所述折射透镜的上表面由上半部分和下半部 分两部分组成，所述上半部分为根据特定算法求得的自由曲面，所述上半部分的边界圆与 折射透镜的中心轴的夹角为45，所述下半部分为与内凹半球面开口同心且使得LED出射 光经该面不发生偏折的半球面，所述反光杯的下底边缘与折射透镜的下底边缘相重合，所 述反光板的上端开口半径与反光杯的杯体高度相等，所述反光杯的内壁为以LED所在点位 焦点的抛物面。 0005 上述的一种新型LED准直光学元件，所述折射透镜的下底口径与反光杯的。
8、下底口 径相等且连为一体。 0006 上述的一种新型LED准直光学元件，所述折射透镜的制作材料为玻璃或塑料；所 述玻璃为光学玻璃。 0007 上述的一种新型LED准直光学元件，所述反光杯的制作材料为玻璃或塑料且所述 反光杯的内壁上涂覆有高反射率材料；所述玻璃为光学玻璃。 0008 本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明由折射透镜和与折射透镜连接为一 体的反光杯构成，结构简单、设计合理，易于实现；为避免大角度出射光线发生全反射，特对 LED出射光分成与主光轴夹角为0-45和45-90两部分，对前者通过折射透镜准直，对 后者通过反光杯准直，对LED出射光的准直效果好，使得LED 用于一些特殊的照。
9、明场合， 特别是适用于要求对LED光源进行准直的场合，进一步拓宽了LED的使用领域且提高了LED 的利用效率，节能环保，使用效果好，便于推广使用。 0009 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 说 明 书CN 102486292 A 2/3页 4 附图说明 0010 图1为本发明的立体图。 0011 图2为本发明的剖视结构示意图。 0012 图3为二维坐标下自由曲面母线与目标面半径方向上各点的一一对应关系图。 0013 图4为切线迭代法确定自由曲面母线各点坐标的示意图。 0014 附图标记说明： 0015 1-折射透镜； 1-1-内凹半球面开口； 1-2-上半部分； 。
10、0016 1-3-下半部分； 2-反光杯； 3-光源； 0017 4-自由曲面母线； 5-入射光矢量； 6-法矢量； 0018 7-出射光矢量； 8-目标面。 具体实施方式 0019 如图1和图2所示，本发明包括设置在底端的折射透镜1和与折射透镜1连接为 一体的反光杯2，为避免大角度出射光线发生全反射，特对LED出射光分成与主光轴夹角为 0-45和45 -90两部分，对前者通过折射透镜1准直，对后者通过反光杯2准直；所述 折射透镜1的下底为一用于放置LED的内凹半球面开口1-1，所述折射透镜1的上表面由 上半部分1-2和下半部分1-3两部分组成，所述上半部分1-2为根据特定算法求得的自由 曲面。
11、，所述上半部分1-2的边界圆与折射透镜1的中心轴的夹角为45，该面使得LED出 射光与主光轴夹角45范围内的光线准直出射；所述下半部分1-3为与内凹半球面开口 1-1同心且使得LED出射光经该面不发生偏折的半球面，所述反光杯2的下底边缘与折射 透镜1的下底边缘相重合，所述反光板2的上端开口半径与反光杯2的杯体高度相等，保证 由LED出射的45 -90范围内光线经反光杯2内壁反射后准直出射，所述反光杯2的内 壁为以LED所在点位焦点的抛物面，折射透镜1和反光杯2分别对LED发出的与主光轴夹 角为0-45和45-90范围内光能进行准直。 0020 如图1和图2所示，本实施例中，所述折射透镜1的下底。
12、口径与反光杯2的下底口 径相等且连为一体。所述折射透镜1的制作材料为玻璃、光学玻璃或塑料。所述反光杯2 的制作材料为玻璃、光学玻璃或塑料且所述反光杯2的内壁上涂覆有高反射率材料。 0021 本发明折射透镜1外表面自由曲面求解原理是：LED向半空间发出的光线是旋转 对称的，设计时只需在二维坐标下求解对应的自由曲面母线，将其沿光轴方向360旋转对 称，即可得到对应的自由曲面。在点光源3近似下，如果将自由曲面母线4进行离散点的划 分，那么每个节点处只有一根入射光线。再根据非成像光学边缘光线原理，通过自由曲面 母线4上每个节点的光线，经过系统后，将对应于目标上唯一一点，通过节点之间连续部分 的光线，经。
13、过系统后，也在目标上离散点中间连续分布。根据上述原理，对于给定准直光孔 径和位置关系的系统，可将孔径大小的目标面半径及自由曲面母线4分割成数目相等的节 点，使目标面半径上节点与自由曲面母线节点形成一一对应，那么根据Snell定律，通过控 制自由曲面母线4上节点处的法矢量6，来控制每个节点处入射光线的出射方向，就可以精 确地实现每个节点处光线的准直，当节点划分足够细时，整个自由曲面内光线均能被准直 出射。反光杯2面型取以LED所在点为焦点的抛物面即可，但需保证反光杯2底端口径与 反射透镜1底上的内凹半球面开口1-1口径相等。 说 明 书CN 102486292 A 3/3页 5 0022 二维情。
14、况下，求解自由曲面母线4时分三个步骤，自由曲面母线4与目标面半径方 向上各点的一一对应关系如附图3所示。 0023 首先，对准直孔径大小为R的目标面由中心开始沿径向进行等分至R/2处，即 二维坐标下，目标面径向R/2划分的第j个点的半径R j 可表示为： 0024 0025 其次，对LED出射到半空间截面0-45的光线沿其与主光轴夹角划分N份。根 据附图3所示节点对应关系，为使得折射范围内光线准直出射到目标面，则自由曲面母线4 各点对应的 i 可表示为： 0026 0027 其中， i 和 i 分别为自由曲面母线上第i个节点在二维坐标系中与Y轴夹角和 对应的矢径长度。 0028 最后，如附图4。
15、所示，根据节点划分思想，自由曲面母线4被不同 i 角的入射光 线划分为个离散的N个点。设某点处法矢量6为该点处入射光单位矢量为出射光单 位矢量为则根据矢量形式Snell方程三者满足下面关系： 0029 0030 其中n为所求自由曲面透镜材料的折射率。由该方程知，每个节点处的法矢量由 该点的入射光矢量5和出射光矢量7唯一确定。 0031 在附图4中，任一点坐标( i sin i ， i cos i )即表示该点处入射光矢量设 该点对应于目标面上一点(x i ，y 0 )(y 0 为任意选取的准直光线目标面在Y轴的高度)，则出射 光矢量为(x i - i sin i ，y 0 - i cos i 。
16、)。由各点处入射光矢量和出射光矢量的 表示形式知，当各点处径向长度 i 确定后，各点坐标及该点入射光矢量5与出射光矢量7 即完全确定，进而该点法矢量确定。下面通过切线迭代法确定各节点径向长度 i 。 0032 如附图4所示，初始选取自由曲面母线4上一个节点S 0 ，其坐标为(0， 0 )，其坐标 即确定入射光矢量5为由其在目标面对应的节点T 0 可确定出射光矢量将以上两 矢量单位化，由式(3)可求得该点处法矢量同时确定该点切线方程。当节点数目足够多 时，与该点相邻的点处的入射光线必与该点切线相交。设该交点为S 1 ，其入射光矢量也即 确定，出射光矢量由点S1与目标面相应点T 1 的坐标确定，同。
17、理可得该相邻节点处的法 矢量进而确定该点切线方程。按以上方法沿 i 方向一直迭代下去，即可求得母线上N 个点的坐标( i sin i i cos i )。至此，所求折射形式的自由曲面母线4即确定，将其绕 轴360旋转即可得到折射透镜1外表面对应的自由曲面。 0033 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。 说 明 书CN 102486292 A 1/2页 6 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102486292 A 2/2页 7 图4 说 明 书 附 图CN 102486292 A 。