CN102734673B - 一种led照明模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED照明模块，包括LED光源及旋转对称的单件式透光辅助光学结构；透光辅助光学结构包括泛光镜片组、反光镜片组以及盲孔状开口，LED光源设置在开口处；开口包括凹形弯曲的基面和锥形圆周面，且具有允许LED光源沿透光辅助光学结构的光学轴线相对移动的圆周直径；泛光镜片组包括基面和凸形非球面；反光镜片组包括锥形圆周面、外壳式圆周面和锥形曲面，锥形曲面上设置有多个以光学轴线为中心轴的环状凸棱；由LED光源发出的光线经泛光镜片组和反光镜片组折射和反射后高于90%的朝前方射出，且LED光源沿光学轴线移动产生锥角在大于等于10°至小于等于90°之间变化的光锥。

Description

一种LED照明模块

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种LED照明模块。

背景技术

LED在照明领域的应用越来越广泛，例如应用于手电筒。目前与LED相配合的光学***中，大多数是在内部设置一个或多个构成为抛物线的凹面反射镜，在凹面反射镜的焦点上设计LED光源。采用这种设置方式，理论上能保证其最佳光线出射效率。但随着大功率LED光源在照明领域的应用，此类型反射镜光效和光斑极易出现瑕疵。而且这样的凹面反射镜容易进灰尘或杂物引起污染，镜面表面容易被氧化或受到腐蚀，致使光线的出射率下降。

在目前的手电筒中，一般采用两种方式对大功率LED光源进行配光，一种为在光线射出面上设置一个聚光透镜，它在使光线发生的位置设置于该聚光透镜的焦点上的情况下，基本可以实现光线的平行射出。可以沿轴向移动光源或者透镜，从而改变聚光透镜相对于LED光源的相对位置，致使其在一定界限内改变光束的特性。但这种结构仅能利用向前射出的光线，侧面光线未被利用致使光线效率低下，此种结构也极易产生成像，使的光源以光斑的形式呈现于物体上。

另一种是在透镜底部设置凹槽，将LED光源嵌入凹槽内， LED光源的光线发射点位置固定，使得其在光学轴线范围内朝开口方向发出的光线通过准直效应折射成平行的光线束。但是采用此种透镜结构配光效果单一，不能满足多方面的配光需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能产生均匀光斑且光能利用率高的LED照明模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种LED照明模块，包括LED光源及旋转对称的单件式透光辅助光学结构；其中，所述透光辅助光学结构包括位于中间的泛光镜片组、位于四周的反光镜片组、以及位于背面的盲孔状开口，所述LED光源设置在所述开口处；其中，所述开口包括凹形弯曲的基面和锥形圆周面，且所述开口具有允许所述LED光源沿所述透光辅助光学结构的光学轴线相对移动的圆周直径；

所述泛光镜片组包括作为光线入射面的所述基面，和作为光线出射面的凸形非球面；

所述反光镜片组包括作为光线入射面的所述锥形圆周面、作为光线反射面的外壳式圆周面和作为光线出射面的锥形曲面，所述锥形曲面边缘设置有多个以所述光学轴线为中心轴的环状凸棱；

由所述LED光源发出的光线经所述泛光镜片组和所述反光镜片组折射和反射后高于90%的朝前方射出，且通过所述LED光源沿所述光学轴线移动产生锥角在大于等于10°至小于等于90°之间变化的光锥。

本发明所述的LED照明模块，其中，所述外壳式圆周面的任意切面相对于垂直于所述光学轴线的垂面的倾角为38°～65°。

本发明所述的LED照明模块，其中，作为所述反光镜片组光线出射面的锥形曲面曲率大于作为所述反光镜片组光线全反射面的外壳式圆周面的曲率。

本发明所述的LED照明模块，其中，作为所述反光镜片组光线出射面的锥形曲面的任意切面相对于垂直于所述光学轴线的垂面的倾角为7°～20°。

本发明所述的LED照明模块，其中，所述开口最窄处直径大于5mm。

本发明所述的LED照明模块，其中，构成所述开口的锥形圆周面所对应圆锥角小于7°。

本发明所述的LED照明模块，其中，所述透光辅助光学结构总高度在10.3mm与21mm之间。

本发明所述的LED照明模块，其中，所述基面曲率大于作为所述泛光镜片组光线出射面的凸形非球面曲率。

本发明所述的LED照明模块，其中，作为所述泛光镜片组光线出射面的凸形非球面最大外形直径大于所述基面的最大外形直径。

本发明所述的LED照明模块，其中，所述泛光镜片组的高度相对于所述透光辅助光学结构的总高度的比例在0.25与0.55之间。

本发明的有益效果在于：通过设置具有位于中间的泛光镜片组、位于四周的反光镜片组、以及位于背面的盲孔状开口的透光辅助光学结构，对位于开口处的LED光源进行配光，且LED光源可相对于光学轴线移动，以产生锥角在大于等于10°至小于等于90°之间变化的光锥，以便于充分利用四周的光线，并对四周发散的光线起到汇聚的作用，对主光斑时行二次补光，使形成的光斑均匀，并提高光能的利用率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明较佳实施例的LED照明模块结构示意图；

图2是本发明较佳实施例的LED照明模块俯视图；

图3是本发明较佳实施例的LED照明模块剖视图；

图4是本发明较佳实施例的LED照明模块光路示意图一；

图5是本发明较佳实施例的LED照明模块光路示意图二；

图6是本发明较佳实施例的LED光源光强分布图。

具体实施方式

本发明较佳实施例的LED照明模块结构如图1、图2、图3所示，同时参阅图4和图5，该LED照明模块包括LED光源10及旋转对称的单件式透光辅助光学结构。透光辅助光学结构为二次光学***，包括位于中间的泛光镜片组20、位于四周的反光镜片组30、以及位于背面的盲孔状开口40，LED光源10设置在开口40处。其中，开口40包括凹形弯曲的基面21和锥形圆周面31，且开口40具有允许LED光源10沿透光辅助光学结构的光学轴线50相对移动的圆周直径；泛光镜片组20包括作为光线入射面的基面21，和作为光线出射面的凸形非球面22；反光镜片组30包括作为光线入射面的锥形圆周面31、作为光线完全反射的反射面的外壳式圆周面32和作为光线出射面的锥形曲面33，锥形曲面33边缘设置有多个以光学轴线50为中心轴的环状凸棱34；由LED光源10发出的光线经泛光镜片组20和反光镜片组30折射和反射后高于90%的朝前方射出，且通过LED光源10沿光学轴线50移动产生锥角在大于等于10°至小于等于90°之间变化的光锥，锥形开口的最小直径大于等于6mm。

如图4和图5所示，同时参阅图1、图2和图3，从LED光源10发出的光线分为两部分由旋转对称的单件式透光辅助光学结构进行配光。其中，中心光线由泛光镜片组20配光，四周光线由反光镜片组30配光。具体地，大部分的中心光线从作为泛光镜片组20光线入射面的基面21入射，进入透镜体内发生折射，从作为泛光镜片组21光线出射面的凸形非球面22发散出射时，进行第二次折射，即产生的光斑角度可与在透光辅助光学结构底部有很大差异。大部分的四周光线从作为光线入射面的锥形圆周面31入射至作为光线反射面的外壳式圆周面32，再经外壳式圆周面32全反射后，经锥形曲面33以近似平行与光学轴线50的方向射出，这样可以充分利用四周的光线，并对四周发散的光线起到汇聚的作用，对主光斑时行二次补光，使形成的光斑均匀，并提高光能的利用率。

另外，从理论上讲，当已知LED光源10在一个透镜体内沿光学轴线50运动时，可得到光斑面积的大小变化。由于目前大多LED发光芯片都是正方形，如果在焦点处即会产生成像，导致出现四方形的光斑效果，此效果是应尽量避免的。理想的情况是，LED光源10在透镜两个焦点位置，都能产生直径大小不同，但均匀的光斑效果。即要求LED光源10在二次光学透镜底部时，上述泛光镜片组20的焦点不会在LED光源10发光平面上。

上述实施例中，如图1和图2所示，通过在锥形曲面33边缘设置类似于菲涅尔孤形环状带的环状凸棱34，使得从锥形曲面33边缘出射的光线经该环状凸棱34进一步折射后，以一定倾角射出，向中心汇聚，可作为对中心光斑的光强补充，亦能避免出现二次成像。由此可以实现LED光源10在二次光学透镜体内运动使在1米处能得到一个由17.5CM～100CM的圆形光斑，避免四方形的光斑出现。

上述实施例中，由LED光源10以及灯座构成的整个结构在盲孔状开口40内可相对轴向移动，使得LED光源10相对于盲孔状开口10沿着光学轴线50的相对运动，以改变光线的照射特性和发光角度。其中，可以将LED光源10及其灯座固定，通过移动单件式透光辅助光学结构来达到上述目的，调整光斑面积大小；或者，通过单件式透光辅助光学结构与LED光源10组合移动来实现。

上述实施例中，透光辅助光学结构中的所有光学面，如图1、图2和图3所示，包括凹形弯曲的基面21、凸形非球面22、锥形圆周面31、外壳式圆周面32和锥形曲面33，均优先选用如下的非球面方程式（1）和如图6所示的LED光强分布图计算和仿真模拟验证得出：

其中，r为非球面上的坐标(x,y)所在点对应的球面半径，其计算公式为： ；所述c的计算公式为： ；所述R为非球面的顶点曲率半径；x、y和R的具体取值可以根据灯具的设计需求设定。

进一步地，外壳式圆周面32的任意切面相对于垂直于光学轴线50的垂面的倾角如果过大或过小，则可能导致从LED光源10发出的部分侧面光线无法充分被全反射，达不到光线出射率高于90%的目的。经大量仿真模拟实验证明，优选将外壳式圆周面32的任意切面相对于垂直于光学轴线50的垂面的倾角设计为38°～65°可最充分的利用从LED光源10发出的侧面光线，其中最优选为60°；同时，优选将作为反光镜片组30光线出射面的锥形曲面33的任意切面相对于垂直于光学轴线50的垂面的倾角设计为7°～20°；以及优选地，将作为反光镜片组30光线出射面的锥形曲面33曲率大于作为反光镜片组30光线全反射面的外壳式圆周面32的曲率。

优选地，透光辅助光学结构总高度在10.3mm与21mm之间，盲孔状开口40最窄处直径大于5mm，构成开口40的锥形圆周面31所对应圆锥角小于5°，以便于普通LED光源及大功率LED光源均能在开口内沿光学轴线50移动，以调整所产生圆形光斑大小，产生不同的光学特性。

为使得对LED光源10发出的中心光线达到最优的发散配光效果，优选地，如图1所示，将构成泛光镜片组20光线入射面的基面21曲率设计的大于作为泛光镜片组20光线出射面的凸形非球面22的曲率；作为泛光镜片组20光线出射面的凸形非球面22最大外形直径大于基面21的最大外形直径。这样，从LED光源10发出的中心光线经基面10进行第一次折射发散后，在经过凸形非球面22时，相对来说光束向中心收拢，即对发散后的光线起到汇聚的作用，以得到更加均匀的出射光线。

优选地，上述各实施例中，如图1所示，泛光镜片组20的高度h2相对于透光辅助光学结构的总高度h1的比例在0.25与0.55之间，更优选为0.37。以便于给LED光源10沿光学轴线50移动预留足够的空间，使得从LED光源10侧面出射的光线能尽可能多的从锥形圆周面31入射，并经外壳式圆周面32全反射后从锥形曲面33折射出，可以充分利用四周的光线，对主光斑时行二次补光，使形成的光斑均匀，提高光能的利用率。

上述各实施例中的LED照明模块可应用于各种类型的照明装置中，例如手电筒等等，在此不一一描述。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种LED照明模块，包括LED光源(10)及旋转对称的单件式透光辅助光学结构；其特征在于，所述透光辅助光学结构包括位于中间的泛光镜片组(20)、位于四周的反光镜片组(30)、以及位于背面的盲孔状开口(40)，所述LED光源(10)设置在所述开口(40)处；其中，所述开口(40)包括凹形弯曲的基面(21)和锥形圆周面(31)，且所述开口(40)具有允许所述LED光源(10)沿所述透光辅助光学结构的光学轴线(50)相对移动的圆周直径；

所述泛光镜片组(20)包括作为光线入射面的所述基面(21)，和作为光线出射面的凸形非球面(22)，该泛光镜片组(20)的高度相对于所述透光辅助光学结构的总高度的比例在0.25与0.55之间；

所述反光镜片组(30)包括作为光线入射面的所述锥形圆周面(31)、作为光线反射面的外壳式圆周面(32)和作为光线出射面的锥形曲面(33)，所述锥形曲面(33)边缘设置有多个以所述光学轴线(50)为中心轴的环状凸棱(34)；

由所述LED光源(10)发出的光线经所述泛光镜片组(20)和所述反光镜片组(30)折射和反射后高于90％的朝前方射出，且通过所述LED光源(10)沿所述光学轴线(50)移动产生锥角在大于等于10°至小于等于90°之间变化的光锥。

2.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，所述外壳式圆周(32)面的任意切面相对于垂直于所述光学轴线(50)的垂面的倾角为38°～65°。

3.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，作为所述反光镜片组(30)光线出射面的锥形曲面(33)曲率大于作为所述反光镜片组(30)光线全反射面的外壳式圆周面(32)的曲率。

4.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，作为所述反光镜片组(30)光线出射面的锥形曲面(33)的任意切面相对于垂直于所述光学轴线(50)的垂面的倾角为7°～20°。

5.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，所述开口(40)最窄处直径大于5mm。

6.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，构成所述开口(40)的锥形圆周面(31)所对应圆锥角小于7°。

7.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，所述透光辅助光学结构总高度在10.3mm与21mm之间。

8.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，所述基面(21)曲率大于作为所述泛光镜片组(20)光线出射面的凸形非球面(22)曲率。

9.根据权利要求1所述的LED照明模块，其特征在于，作为所述泛光镜片组(20)光线出射面的凸形非球面(22)最大外形直径大于所述基面(21)的最大外形直径。