[发明专利]一种理论无损光效的LED光全反射准直系统

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种对LED光源的出射光线进行准直并且提供高光能利用效率的光学系统。

技术背景

目前市场上出现的LED光源多是近朗伯体发光的近似点光源或面光源，具有单面发光、发光半角大的特点。为了便于光学系统对LED光能的利用，一般需要对LED的出射光线进行预准直，而目前针对LED光源的光学准直系统主要可分为三大类结构：第一类利用光学透镜组对LED光源中心附近出射光线进行准直，而大角度光线散失；第二类是TIR（全内反射）透镜，利用计算得到的自由曲面透镜对中心光线两次折射进行准直，对边缘大角度出射的光线先通过透镜内的全内反射，再经过透镜表面的第二次折射进行准直；第三类结合了光学透镜和光学反射器，对大角度出射的光线利用反射器进行反射准直，对中心出射的光线利用透镜组透射准直。

现行针对LED光线的光学准直系统存在如下主要问题：1、对LED光源中心出射光线的准直离不开透镜，但是透镜对光能量的损耗一般高于反射器对光能的损耗，这就限制了此类光学准直系统效率提升的空间；2、由于LED发光半角大的特点，此类光学准直系统往往不能完全收集出射光线，使得一部分光线散失，导致了光能的损耗。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于LED光源的理论无损光效的光全反射光学准直系统。

本发明提供的理论无损光效的LED光全反射光学准直系统，是使用单科或多颗高功率白光LED模组作为光源，通过改进的椭球面反射器，改进的第一抛物面反射器和改进的第二抛物面反射器实现光线理论100%效率的收集并对所有光线进行准直。

本发明提供的基于LED光源的理论无损光效的光全反射光学准直系统，包括：白光LED模组、改进的椭球面反射器、改进的第一抛物面反射器和改进的第二抛物面反射器；其中，所述白光LED模组几何中心位于改进的椭球面反射器的第一焦点处；所述改进的第一抛物面反射器位于改进的椭球面反射器左上方，且改进的第一抛物面反射器的焦点与改进的椭球面反射器的第二焦点重合；所述改进的第二抛物面反射器位于改进的第一抛物面反射器的上方，且改进的第二抛物面反射器的焦点与LED光源几何中心位置重合；由LED光源出射的一部分α角内光束经过改进的椭球面反射器会聚到其第二焦点处，再经改进的第一抛物面反射器准直出射，由LED光源出射的另一部分β角内光束经过改进的第二抛物面反射器准直出射，改进的第一抛物面反射器和改进的第二抛物面反射器的出射光束的主光轴平行，且同时平行于LED光源的主光线， 以保证经它们反射后的光线按同一水平方向准直出射。0⁰<α<180⁰，0⁰<β<180⁰,且α+β=180⁰。 

一般LED是朗伯辐射体分布的光源，经过LED发光面几何中心法线的子午面（纸面内）内的发光角度是180度，本发明的LED光源模组发出的光束，在其面内有一部分光先经过改进的椭球面反射器，光束会聚到改进的椭球面第二焦点处，由于改进的椭球面反射器第二焦点与改进的第一抛物面焦点重合，这部分光经过改进的第一抛物面准直出射，这个角度就是α角；另外一部分光束没有经过改进的椭球面反射器，由LED光源模组直接入射到改进的第二抛物面表面，由于LED光源模组的几何中心与第二抛物面焦点重合，这部分光就经过改进的第二抛物面准直出射，这个角度就是β角。

LED光源是一组模组光源，发光面积有一定的大小，如果其发光面积大小小于其光ED光源是一组模组光源，发光面积有一定的大小，如果其发光面积大小小于其光传播过程中反射面有效通光孔径的1/10，可以认为LED光源近似为点光源，这时的椭球面反射器的反射面就是标准的椭球面，第一抛物面反射器和第二抛物面反射器的反射面就是标准的抛物面；如果其发光面积大小大于其光传播过程中反射面有效通光孔径的1/10，LED光源就是一个扩展的光源，这时把扩展的LED光源认为是多个点光源组成的光源，LED光源只有位于焦点处的那部分光束才按照理想的光束传播，也就是从椭球面第一焦点的发出的光束经椭球面反射会聚到椭球面的第二焦点，从抛物面焦点处发出的光束经抛物面反射准直出射，组成扩展的LED光源的其它点光源由于处于离焦位置，对于从椭球面第一焦点附近的出射光束经椭球面反射就不会会聚到第二焦点处，对于从抛物面焦点附近的出射光束经抛物面反射就不会准直出射。