本發(fā)明涉及一種LED準(zhǔn)直照明光學(xué)裝置，具體說是一種帶有折射透鏡和反射器的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)裝置。

背景技術(shù)：

LED作為一種新型光源，由于其高光效，壽命長，無毒害等優(yōu)點使其成為白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)的光源的完美替代者。但由于LED的光強(qiáng)分布為圓形的朗伯型分布，如果直接應(yīng)用于照明，則會在目標(biāo)面上形成極為不均勻的照度分布，無法滿足各種照明場合對燈具光學(xué)性能的要求。為了使LED更好的應(yīng)用于照明領(lǐng)域，需要設(shè)計二次光學(xué)系統(tǒng)重新分配LED的光強(qiáng)分布，使得其在目標(biāo)面能夠形成均勻或者其它特定的照度分布。

在船舶航行等可見光引導(dǎo)應(yīng)用場合，需要近似矩形的準(zhǔn)直光束，因此光線為雙向準(zhǔn)直光。為此，至少需要兩個光學(xué)表面控制LED光線的方向，其中第一個表面控制橫向方向準(zhǔn)直，第二個表面控制縱向方向準(zhǔn)直。中國發(fā)明專利申請說明書CN201410125879給出了一種用于獲得圓形準(zhǔn)直照明效果的設(shè)計方法。但無法獲得近似矩形的準(zhǔn)直光束。中國發(fā)明專利申請說明書CN201410126870給出了一種獲得大視場角矩形照明的設(shè)計方法。但該方法最多可實現(xiàn)單向準(zhǔn)直，無法實現(xiàn)近似矩形的雙向準(zhǔn)直光束。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種帶有折射透鏡和反射器的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)裝置，它能控制橫向方向和縱向方向光線準(zhǔn)直，并且收集LED的全部光線，具有較高的光效。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：帶有折射透鏡和反射器的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)裝置，其特征在于：包括折射透鏡和反射器，所述折射透鏡為由第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面和第七曲面構(gòu)成的實體，所述反射器為由第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面和第十二曲面構(gòu)成的實體；其中，所述第一曲面為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED燈發(fā)出的光線折射，并使折射后的光線與第一曲面的對稱軸垂直；所述第二曲面為半圓狀平面，用于將LED發(fā)出的光線折射，并使折射后的所有光線均能到達(dá)第三曲面；所述第三曲面為利用全反射原理的旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將經(jīng)過第二曲面折射之后的光線反射至與對稱軸垂直的方向；所述第四曲面和第五曲面均為圓柱面，經(jīng)過所述第四曲面和第五曲面的折射后的光線均不改變方向；所述第一曲面的對稱軸、第二曲面的對稱軸、第三曲面的對稱軸、第四曲面的對稱軸和第五曲面的對稱軸均為垂直第二曲面且經(jīng)過第二曲面中心的軸線；所述第六曲面為非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于準(zhǔn)直已經(jīng)被第一曲面、第二曲面、第三曲面準(zhǔn)直，但未經(jīng)過所述第四曲面和第五曲面的光線；所述第七曲面為不參與光線方向的控制的平面，用于連接所述第三曲面和第六曲面；所述第八曲面和第九曲面均為反射自由曲面，其中，第八曲面用于將來自第四曲面的光線準(zhǔn)直，并使折射光線與z軸平行，第九曲面用于將來自第五曲面的光線準(zhǔn)直；所述第十曲面和第十一曲面均為不參與光線方向控制的反射平面，均用于連接第八曲面和第九曲面；所述第十二曲面為不參與光線方向控制的平面，用于向外延展第八曲面、第九曲面、第十曲面和第十一曲面的厚度，并使第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面和第十二曲面構(gòu)成一個實體。

在上述技術(shù)方案中，所述第一曲面上點的坐標(biāo)由下式計算得出，確定第一曲面的初始點的坐標(biāo)值，所述第一曲面的初始點為第一曲面與z軸的交點，并通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值，令當(dāng)前已知點(x_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_x,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(x_i,z_i)為：其中k＝N_x/N_z。

在上述技術(shù)方案中，所述第一曲面的初始點的z軸坐標(biāo)值為3-100mm，最佳為6mm。第一曲面的邊緣對應(yīng)的LED光線與z軸夾角為5-50°，最佳為34°。

在上述技術(shù)方案中，所述第二曲面垂直于z＝0平面，且所述第二曲面的初始點為第一曲面的邊緣點。

在上述技術(shù)方案中，所述第三曲面上點的坐標(biāo)由下式計算得出，確定第三曲面的初始點的坐標(biāo)值，所述第三曲面的初始點為第二曲面與x軸的交點，并通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值，令當(dāng)前已知點(x_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_x,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(x_i,z_i)為：其中k＝N_x/N_z。

在上述技術(shù)方案中，所述第一曲面的對稱軸、第二曲面的對稱軸、第三曲面的對稱軸、第四曲面的對稱軸和第五曲面的對稱軸均為x軸，且第四曲面和第五曲面的初始點為第三曲面的邊緣點。

在上述技術(shù)方案中，所述第六曲面上點的坐標(biāo)由下式計算得出，首先確定第六曲面的初始點的坐標(biāo)值，所述第六曲面的初始點為第四曲面的邊緣點，通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值,令當(dāng)前已知點(y_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_y,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(y_i,z_i)為：其中k＝N_y/N_z。

在上述技術(shù)方案中，所述第八曲面和第九曲面上的點的坐標(biāo)均由下式計算得出，確定第八曲面和第九曲面的初始點的坐標(biāo)值，所述第八曲面和第九曲面的初始點均為第一曲面與z軸的交點，并通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值，令當(dāng)前已知點(y_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_y,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(y_i,z_i)為：其中k＝N_y/N_z。

本發(fā)明具有良好的光線控制能力，不僅可以實現(xiàn)雙向準(zhǔn)直的近似矩形光束，而且還能夠保持較高的光效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為折射透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為折射透鏡不包含第六、第七曲面時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖2的仰視圖。

圖5為反射器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明在光學(xué)設(shè)計軟件中最后出射光斑照度分布的仿真結(jié)果。

圖中1-折射透鏡,11-第一曲面,12-第二曲面,13-第三曲面,14-第四曲面,15-第五曲面,16-第六曲面,17-第七曲面,2-反射器,21-第八曲面,22-第九曲面,23-第十曲面,24-第十一曲面,25-第十二曲面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明使本發(fā)明的優(yōu)點更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：帶有折射透鏡和反射器的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)裝置，其特征在于：包括折射透鏡1和反射器2，所述折射透鏡1為由第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13、第四曲面14、第五曲面15、第六曲面16和第七曲面17構(gòu)成的實體，所述反射器2為由第八曲面21、第九曲面22、第十曲面23、第十一曲面24和第十二曲面25構(gòu)成的實體；

其中，所述第一曲面11為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED燈發(fā)出的光線折射，并使折射后的光線與第一曲面的對稱軸垂直；經(jīng)LED燈發(fā)出的光線折射與z軸的最大夾角由透鏡材料的折射率決定，所述第一曲面11上點的坐標(biāo)由斯涅爾定律計算得到；

所述第二曲面12為半圓狀平面，用于將LED發(fā)出的光線折射，并使折射后的所有光線均能到達(dá)第三曲面；所述第二曲面12上點的坐標(biāo)由斯涅爾定律計算得到；

所述第三曲面13為利用全反射原理的旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將經(jīng)過第二曲面12折射之后的光線反射至與對稱軸垂直的方向；

所述第四曲面14和第五曲面15均為圓柱面，經(jīng)過所述第四曲面14和第五曲面15的折射后的光線均不改變方向；

所述第一曲面11的對稱軸、第二曲面12的對稱軸、第三曲面13的對稱軸、第四曲面14的對稱軸和第五曲面15的對稱軸均為垂直第二曲面12且經(jīng)過第二曲面12中心的軸線；

所述第六曲面16為非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于準(zhǔn)直已經(jīng)被第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13準(zhǔn)直，但未經(jīng)過所述第四曲面14和第五曲面15的光線；該自由曲面上坐標(biāo)點通過能量守恒和斯涅爾定律計算得到；

所述第七曲面17為不參與光線方向的控制的平面，用于連接所述第三曲面13和第六曲面16；

所述第八曲面21和第九曲面22均為反射自由曲面，其中，第八曲面21用于將來自第四曲面14的光線準(zhǔn)直，并使折射光線與z軸平行，第九曲面22用于將來自第五曲面15的光線準(zhǔn)直；第八曲面21和第九曲面22上的坐標(biāo)點均是通過斯涅爾定律計算得到；

所述第十曲面23和第十一曲面24均為不參與光線方向控制的反射平面，均用于連接第八曲面21和第九曲面22；

所述第十二曲面25為不參與光線方向控制的平面，用于向外延展第八曲面21、第九曲面22、第十曲面23和第十一曲面24的厚度，并使第八曲面21、第九曲面22、第十曲面23、第十一曲面24和第十二曲面25構(gòu)成一個實體。

優(yōu)選的，所述第一曲面11上點的坐標(biāo)由下式計算得出，確定第一曲面11的初始點的坐標(biāo)值，所述第一曲面11的初始點為第一曲面11與z軸的交點，并通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值，令當(dāng)前已知點(x_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_x,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(x_i,z_i)為：其中k＝N_x/N_z。

優(yōu)選的，所述第一曲面的初始點的z軸坐標(biāo)值為3-100mm，最佳為6mm。第一曲面的邊緣對應(yīng)的LED光線與z軸夾角為5-50°，最佳為34°。

優(yōu)選的，所述第二曲面12垂直于z＝0平面，且所述第二曲面12的初始點為第一曲面11的邊緣點。

優(yōu)選的，所述第三曲面13上點的坐標(biāo)由下式計算得出，確定第三曲面13的初始點的坐標(biāo)值，所述第三曲面13的初始點為第二曲面12與x軸的交點，并通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值，令當(dāng)前已知點(x_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_x,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(x_i,z_i)為：其中k＝N_x/N_z。

優(yōu)選的，所述第一曲面11的對稱軸、第二曲面12的對稱軸、第三曲面13透鏡、第四曲面14和第五曲面15的對稱軸均為x軸。

優(yōu)選的，所述第六曲面16上點的坐標(biāo)由下式計算得出，首先確定第六曲面16的初始點的坐標(biāo)值，所述第六曲面16的初始點為第四曲面14的邊緣點，通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值,令當(dāng)前已知點(y_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_y,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(y_i,z_i)為：

其中k＝N_y/N_z。

優(yōu)選的，所述第八曲面21和第九曲面22上的點的坐標(biāo)均由下式計算得出，確定第八曲面21和第九曲面22的初始點的坐標(biāo)值，所述第八曲面21和第九曲面22的初始點為第一曲面11與z軸的交點，并通過迭代的方式計算輪廓曲線上點的坐標(biāo)值，令當(dāng)前已知點(y_i-1,z_i-1)的法向量為N＝(N_y,N_z)，要計算的輪廓曲線下一點對應(yīng)的入射光線與z軸的夾角為θ_i，則下一點的坐標(biāo)值(y_i,z_i)為：

其中k＝N_y/N_z。

實際工作時，折射透鏡1有7個曲面，其目的是將LED發(fā)出的球面波準(zhǔn)直為以垂直第二曲面且經(jīng)過第二曲面中心所在軸為對稱軸的柱面波，第四曲面和第五曲面均為非完整的圓柱面，所占角度均都是40°-85°(優(yōu)選為45°)。折射透鏡1長為38.64mm，高為29.17mm，寬為37.27mm。第一曲面和第二曲面之間形成的空間高為6mm，寬為14mm，用于放置LED光源。折射透鏡放置于反射器內(nèi)，反射器長為104mm，高為47mm，寬為50mm。

如圖6本發(fā)明在光學(xué)設(shè)計軟件中得到的出射光強(qiáng)的仿真結(jié)果所示，該仿真結(jié)果通過追跡一百萬條光線得到。仿真結(jié)果表明本實施的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)效率為79.38％。橫向發(fā)散角為0.2度，縱向發(fā)散角為0.4度，實現(xiàn)了雙向近似矩形準(zhǔn)直光束，而且在x軸和y軸上的光強(qiáng)度均勻性均高于93％，均勻性好。

其它未說明的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。