[发明专利]折返式LED照明光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及LED照明的准直光学系统技术领域，具体涉及一种折返式LED照明光学系统。

技术背景

LED作为一种新型光源，由于其高光效，寿命长，无毒害等优点使其在成为白炽灯、荧光灯等传统的光源的完美替代者。但由于LED的光强分布为圆形的朗伯型分布，如果直接应用于照明，则会在目标面上形成极为不均匀的照度分布，无法满足各种照明场合对灯具光学性能的要求。为了使LED更好的应用于照明领域，需要设计二次光学系统重新分配LED的光强分布，使得其在目标面能够形成均匀或者其它特定的照度分布。

为了实现LED灯具在目标面上的既定照度分布，目前多采用设计LED自由曲面透镜来达到这个目的。在中国发明专利说明书CN101144863B中公开了一种控制LED光束的透镜。该透镜利用自由曲面光线出射面来精确控制出射光束能量空间分布，能够实现满足不同照明需要的光斑形状与照度分布。在中国实用新型专利说明书CN20320202741U中公开了一种窄光束LED照明光学系统。这个光学系统利用菲涅尔透镜对小角度的光线进行会聚；对大角度的光线在采用全反射面实现既定照明。从而实现了LED小角度的高光效照明。除了透镜，反射型的光学系统也被用于LED照明当中。中国发明专利申请说明书CN103234173A中提出了一种基于高漫反射率的自由曲面LED光学系统。这种光学系统利用自由曲面反射面实现对LED光线的重新分配。

LED二次透镜虽然可以实现目标面的既定照明，但是还存在以下问题：（1）由于光线从光密介质向光疏介质传播时存在全反射现象，因此当照明视场角约大于60度时，由于全反射现象的存在使得透镜的光效随着视场角的增大而不断下降；（2）根据光亮度的定义，光源的尺寸越小亮度越高，此时人就觉得越“刺眼”。由于LED的发光尺寸极小，通常为1mm×1mm,因此透射式的LED光学系统存在比较严重的“刺眼”现象。相比LED二次透镜，反射式的LED二次光学系统视场角不受限制，没有“刺眼”现象，但是在实际使用中，由于需要安装LED芯片、散热片、PCB板等装置，因此存在遮挡问题，会造成不能全部利用LED发出的光线或者部分光线不能经过光学系统的整形直接照射至目标面。

发明内容

本发明的目的是针对室内照明等通用照明场合，设计一种实现目标区域均匀照明的折返式的LED二次光学系统，这种光学系统不存在“刺眼”现象，同时具有较高的光效。

为实现上述目的，本发明所设计的折返式LED照明光学系统，包括自由曲面透镜和自由曲面反射器，所述自由曲面透镜和自由曲面反射器共轴，间距为0.01m-0.1m；

所述自由曲面透镜包括第一曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线平行于z轴；第二曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线成为与x轴上点光源发出的光线重合；第三曲面，为旋转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点，将经过第二曲面折射之后的光线反射至与z轴平行的方向；第五曲面，为旋转对称自由曲面，用于控制经过第一曲面、第二曲面和第三曲面之后平行于z轴的光线，使得这束平行于z轴的光线在经过第五曲面后在空间中任一个与z轴垂直的圆平面上形成均匀的照度分布；以及第四曲面，为圆柱面，用于连接第三曲面和第五曲面；

所述自由曲面反射器，由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面，控制第二自由曲面透镜发出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分别为反射器的第一基座和第二基座。

进一步地，所述第一曲面和第二曲面上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由曲面的初始点，通过下式迭代得到其轮廓线：