CN102313243A - 一种结构紧凑型非成像led准直*** - Google Patents

Abstract

一种结构紧凑型非成像LED准直***，涉及非成像LED照明领域，它解决了现有LED照明***结构复杂、光源发散角大且能量不集中，导致光能利用率低的问题，该***包括LED准直透镜、LED芯片、透镜、LED衬底和LED封装外壳，LED芯片、LED衬底和LED封装外壳封装成整体结构；LED准直透镜由四个面组成，第一个面为入射面，第二个面和第四个面为全反射面和折射面，第三个面为反射面，LED芯片发出的光线经LED准直透镜的第一个面后入射至第二个面的光线折射，第二个面边缘的光线在第二个面全反射，反射的光线入射至第三个面，第三个面使光线反射后入射至第四个面折射。本发明出射光能量分布均匀。

Description

一种结构紧凑型非成像LED准直***

技术领域

本发明涉及非成像LED照明领域。

背景技术

LED具有驱动电压低、体积小、重量轻、功耗低、寿命长、优异的色调和定向性等优点.随着半导体LED芯片材料和制备工艺的不断进步，LED的发光效率迅速提高，在光源方面有着很好的应用前景。LED有望替代白炽灯、荧光灯成为***光源，使照明行业面临一场革命。LED在照明光源中的应用最令人关注的问题是如何提高整个照明器的效率以及使光分布满足应用场合的配光要求.因此需要对LED封装光学结构进行模拟和设计，使光从封装界面出射之前的损失最小并尽可能使光分布满足应用场合的配光要求，提高光的利用率.通常采用非成像光学方法对LED光源进行配光设计，如利用折反聚光结构形成对光线的全反射得到折反式聚光结构；利用光子晶体所具有的对光子的全反射不吸收特性进行高效率发光二极管结构的设计，为提高LED光传输效率而采用非成像透镜的设计方法使LED的出射光线分布满足配光要求。现有的一些LED封装的出光表面很多是采用平面或是球面，这样的出光面造成很多光线在封装表面和空气界面发生全反射，光能损失特别严重，而且达不到理想的照明要求。目前的照明光学***中在匀光方面一般采用匀光棒、复眼结构等提高其照明均匀性还可以采用反光杯、复合抛物面镜等结构提高照明亮度，但是这些设备增加了照明***的复杂度，同时光线在匀光棒内表面多次反射以及通过复眼结构的损耗会大大降低***的光能利用率。

发明内容

本发明为解决现有LED照明***结构复杂、光源发散角大且能量不集中，导致光能利用率低的问题，提供一种结构紧凑型非成像LED准直***。

一种结构紧凑型非成像LED准直***，包括LED准直透镜、LED芯片、LED衬底和LED封装外壳，所述LED芯片、LED衬底和LED封装外壳封装成整体结构；所述LED准直透镜由四个面组成，第一个面为入射面，第二个面为内部全反射面和折射面的组合，第三个面为反射面，第四个面为内部全反射面和折射面的组合，所述LED芯片发出的光线经LED准直透镜的第一个面后入射至第二个面，所述经第二个面中心部分的光线折射，第二个面边缘部分的光线在第二个面的内部全反射，所述反射的光线入射至第三个面，第三个面使光线再次反射后入射至第四个面折射。

本发明的工作原理：本发明根据非成像光学理论中的边缘光线原理以及多面同时设计方法(Simultaneous Multiple Surfaces，简称SMS)方法，计算折射/全反射/反射/折射型非成像LED准直***(RIXR)型的LED准直***的初始结构的面型。然后利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化设计，最终得到最佳结构的非成像LED准直***。优化设计得到RIXR型准直***的半口径为20mm、纵横比为0.25、集光角为220°。LED准直***经反向光线追迹得到边缘视场可为±3.178°点列图的均方根半径小于2.1μm，故边缘视场达到了很好的聚焦效果。充分考虑材料的吸收损失和界面的反射损失后，光能利用率高达85.48％。优化后的准直***光能利用率和目标面照度均匀性均有所提高。另外，基于RIXR结构的LED准直***具有光能利用率高、结构紧凑、体积小、便于应用等特点。本发明的关键技术在于LED二次配光准直透镜的设计，基于二维设计，二维曲线线绕中心对称轴旋转获得非成像LED准直透镜，即要使入射光束的能量最大程度地传输到接收端，必须保证入射光束的光学扩展量E_i与出射光束的光学扩展量E_o相等，亦即E_i＝E_o。由于应用了边缘光线原理，在设计过程中只考虑边缘光线，即只要保证芯片发出的边缘光线对应着出射光的边缘光线，那么芯片发散角之内的光线对应的经准直***后出射的光线必定在最大出射角之内，这使得设计过程大大简化。

本发明所述的SMS设计方法本质上是一个循环过程，一个理想的非成像光学面型是由一对入射和出射光线通过给定的一段初始曲线，由初始曲线计算出另一个面的一段曲线，然后再计算出第三个面的一段曲线，最后计算每个面的下一段曲线，设计过程中应保证同一个面的每段曲线的端点光滑连接，就这样从边缘向中心反复的追迹光线，直到计算到中心轴。只要初始参数和一段初始的曲线选定，那么LED准直***的形状就基本确定，我们可以根据具体的照明要求遵循一定的规律来调整初始参数和初始曲线段来满足用户特定的照明要求。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的LED准直***能够收集LED大角度发光范围内的光线而获得具有较小发散角的准直光束，本发明采用RIXR式的混合结构，使光路多次折叠，大大减小了准直***的体积且实用性更强。

二、LED准直***中的光线经过LED准直透镜的上表面中心区域部分直接折射出去出射光线没有被遮拦，很大程度上减小了光能损失，提高了光能利用率。

三、本发明所述的LED准直***照明的均匀性好，LED芯片发出的光线经过准直***后，以一个很小的角度出射，出射光能量分布比较均匀。

附图说明

图1为本发明所述的LED准直***的结构示意图；

图2为拓扑空间的集光率守恒示意图；

图3为本发明所述的LED准直透镜的初始设计示意图；

图4为图3中边缘线向中心逐段内推的过程示意图；

图5为LED准直镜中逐段递推完整过程示意图；

图6为本发明所述的LED芯片左侧的边缘点发出的边缘光线示意图；

图7为本发明所述的LED芯片右侧的边缘点发出的边缘光线示意图；

图8为本发明所述的LED准直***的底面仰视图：

图9为本发明所述的LED准直***的顶面俯视图。

图中：1、LED准直镜，2、LED芯片，3、LED衬底，4、LED封装外壳，5、第二个面。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种结构紧凑型非成像LED准直***，该***包括LED准直透镜1、LED芯片2、LED衬底3和LED封装外壳4，所述LED芯片1、LED衬底3和LED封装外壳4封装成整体结构；所述LED准直透镜1由四个面组成，第一个面为入射面，第二个面5为内部全反射面和折射面的组合，第三个面为反射面，第四个面为内部全反射面和折射面的组合，所述LED芯片2发出的光线经LED准直透镜1的第一个面后入射至第二个面5，经过所述第二个面5中心部分的光线折射，所述折射出的光线直接被探测器接收；经第二个面5边缘部分的光线在第二个面5的内部全反射，所述反射的光线入射至第三个面，第三个面使光线再次反射后入射至第四个面折射后变为一束发散角很小的准平行光，达到LED均匀准直的配光目的。

本实施方式中在确定LED准直透镜1的四个面之前还包括确定LED准直透镜1的设计参数，具体的设计参数包括LED准直透镜材料的折射率n、几何聚光比C、和LED准直透镜1的口径D。所述LED准直透镜的口径D的计算方法为：根据光学扩展量相等方程E_i＝E_o，其中E_i＝2πDsinθ_i，E_o＝2πdsinθ_o，θ_o＝π/2，d为光伏电池口径，获得LED准直透镜1的口径D的值。

结合图2，图中倾斜部分的线段代表LED芯片2的侧面，LED芯片2有一定的厚度，不仅芯片的上表面发光，它的侧面也发光，但侧面发出的光因为LED下面的衬底的遮挡不能全部进入准直***，芯片的侧面从上而下被遮挡的光线越来越多，也就相当于芯片的侧面从上而下发散角越来越小。

具体实施方式二、结合图3至图7说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种结构紧凑型非成像LED准直***的实施例：

首先，根据目标用户对准直***出光角度、能量、均匀性等要求，选定LED光源可知其尺寸及发散角，根据具体出射光线发散角度的要求，利用光学扩展不变量守恒，计算出准直***的口径D。结合图3，选定初始点A、C、S、M，构造二次曲线经过A点和C点。光线AS经上表面A点折射后在下表面D点(未知)反射交与上表面C点。同理，BS经上表面B点折射后在下表面E点(未知)反射交与上表面C点。利用等光程原理可求出D、E两点坐标。曲线DE为一段卵形线。LED芯片2两侧边缘发出的边缘光线LN，RM经过一段曲线折射到C点，计算出MN段卵形线。N点之上的部分为抛物线，准直***的入射面由卵形线和抛物线两部分组成。

其次，根据初始曲线AC逐段递推得到曲线ED、CC1、EF，由边缘逐段向中心内推。结合图4；利用光程相等和折反射定律分别求出上表面和下表面各一段曲线，依此类推从边缘向内算出多端曲线，直到算到中心对称轴为止。

最后通过调节A、C、M、S点的坐标来改变准直镜的整体形状。所述LED芯片发出的一部分光线经过上表面会发生全反射，然后经下表面反射(下表面镀反射膜)又到达上表面，最后经上表面折射为最后的出射光。在光的传播过程中，光线一共通过上表面两次，光线全反射一次，折射一次，所以上表面即作为全反射面也作为折射面。对称轴中心的一部分光线在上表面处不满足全反射条件，这部分设计成普通的透镜形式，使光线直接折射出去。所述LED准直镜下表面中心部分的形状是可变的，例如半圆，抛物线均可，具体选哪一种形状应参照具体的出光要求来选定。本发明先采用了半圆形的，之后又利用抛物线形的做了LED准直***的变形。设计过程中应用了边缘光线原理，即只保证了光源的两个边缘点发出的光线经过准直***后，成为出射光的边缘光线，设计时只要满足这个条件，光源边缘两点以内的点发出的光线经过准直***，折射光线一定在出射光线的边缘光线范围之内。

本发明所述非成像准直***在设计过程中应用了边缘光线原理。边缘光线原理，将LED芯片2上的两个边缘点发出的光线经过LED非成像准直***分别成为正负两个方向最大倾角的平行光束，即保证设计时遵循入射的边缘光线出射时仍为边缘光线。而两边缘点之间的光线也会保证出射后得光线在正负两个方向最大倾角的平行光束之内。设计过程中保证了理论通光率为100％。最终经过设计得到满足条件的非成像LED准直***。非成像LED准直***的口径大小及厚度可以根据设计的接收角度和装置的总体长度相应调整，解值不唯一，应根据实际情况综合考虑选取最适合的初始参数来设计符合配光要求的非成像LED准直***。

本发明所述的LED准直***的光能利用率高，本发明中所使用的LED芯片2的发散半角为110度，LED非成像准直***可以大角度收集LED芯片2发出的光线，理论上的收集效率为100％，因此光能利用率高。光线经过准直***的上表面中心区域部分直接折射出去出射光线没有被遮拦，很大程度上减小了光能损失，提高了光能利用率。照明的均匀性好。LED芯片2发出的光线经过准直***后，以一个很小的角度出射，出射光能量分布比较均匀。LED节能效果显著，其应用领域越来越广泛，特别是在舞台、商场照明、家居照明、广告照明、路灯等领域应用甚广。

Claims (4)

1.一种结构紧凑型非成像LED准直***，该***包括LED准直透镜(1)、LED芯片(2)、LED衬底(3)和LED封装外壳(4)，所述LED芯片(2)、LED衬底(3)和LED封装外壳(4)封装成整体结构；其特征是，所述LED准直透镜(1)由四个面组成，第一个面为入射面，第二个面(5)为内部全反射面和折射面的组合，第三个面为反射面，第四个面为内部全反射面和折射面，所述LED芯片(2)发出的光线经LED准直透镜(1)的第一个面后入射至第二个面(5)，经过所述第二个面(5)中心部分的光线折射，经过第二个面(5)边缘部分的光线在第二个面(5)的内部全反射，所述反射的光线入射至第三个面，第三个面使光线再次反射后入射至第四个面折射。

2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型非成像LED准直***，其特征在于，该***在确定LED准直透镜(1)的四个面之前确定LED准直透镜(1)的设计参数，所述设计参数包括LED准直透镜(1)材料的折射率n、几何聚光比C和LED准直透镜(1)的口径D。

3.根据权利要求1或2所述的一种结构紧凑型非成像LED准直***，其特征在于，所述LED准直透镜(1)的口径D的计算方法为：根据光学扩展量相等方程E_i＝E_o，其中E_i＝2πDsinθ_i，E_o＝2πdsinθ_o，θ_o＝π/2，d为光伏电池口径，θ_i为LED准直***出射光线的发散角度；θ_o为LED芯片的发光角度，由光学扩展量相等方程获得LED准直透镜(1)的口径D的值。

4.根据权利要求1所述的一种结构紧凑型非成像LED准直***，其特征在于，所述的第三个面镀有反射膜。

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