[实用新型]一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜

说明书

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜。 

背景技术

目前大功率白光LED的照明技术正在迅速发展，以取代某些高能耗的传统光源，实现高效、稳定的照明系统。基于LED的发光特点，旋转对称的全反射准直透镜已成为较为普遍的一种前置光学系统，来较为高效地收集LED发出的光线。 

目前，较为普遍的旋转对称全反射透镜只能将LED的光线进行收集和准直，单一的全反射透镜是无法用做一般照明的，通常还会配有后级光学系统，如光学散射阵列、磨砂表面等，将经过全反射透镜的光线进行再次分配，以满足一般照明的需要，尤其是在室内照明中。多个器件的级联必然会造成能量的损失、提高装配的精度要求以及造成系统成本的上升。 

此外，基于旋转对称的全反射透镜，考虑到它自身的旋转对称特性，所投射出的光束通常为一圆形光斑，并且在中心方向上的光强明显高于其它扩散方向，并不适合应用于某些照明场合的光形要求和光强分布要求。 

发明内容

本实用新型的技术任务是针对现有技术的不足，本实用新型将多个自由曲面光学表面组合到一个单一器件上，避免了多个器件造成的能量损失、成本增加和装配误差，并针对于许多照明场合对于矩形光斑的要求，采用了母线扫描式构造三维自由曲面出光面的方法，将圆形光斑转化为矩形光斑，并且产生的照明光斑的均匀度可以达到0.6以上。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，包括LED器件和镜体，所述镜体包括一个折射圆柱面、一个三维全反射面、一个三维折射面和一个三维自由曲面出光面，三维全反射面设置在三维折射面内并与其开口方向相同，三维全反射面通过折射圆柱面与三维折射面后端相连接，三维自由曲面出光面设置在三维折射面前端，前述LED器件的几何中心位于三维折射面的焦点位置。

    应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其LED器件为单芯片封装的大功率LED光源，光源功率大小1-20 W。 

    应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其LED器件为多芯片封装的大功率LED光源，光源功率大小1-20W。 

应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其所述的三维自由曲面出光面是由一条自由曲线与其所在平面正交平面上的另一条自由曲线扫描而成，扫描得到的三维自由曲面出光面上形成的两条横贯整个表面的正交棱，即为母线和扫描轨迹；三维全反射面和三维折射面均是由近似抛物线的曲线围绕镜体中轴线旋转形成的曲面；折射圆柱面是由切除拉伸特征所限定的旋转对称柱面表面，折射圆柱面与三维全反射面开口端相连接。 

应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其该柱面的切除深度为10-20mm，切除半径为8-16mm，并由此限定了相应折射表面的孔径半径为8-16mm。 

应用于LED光源的多表面自由曲面光学透镜，其三维全反射面的曲面线形与柱面切除深度和切除半径均相配合。对于切除深度和切除半径，该自由曲线的线型也相应变化。光线入射到该三维全反射面后，被准直成为平行光线出射到三维自由曲面出光面。 

LED器件发出的光线一部分入射到折射柱面，经过三维全反射面反射后出射，形成准直的平行光，其余部分光线经由三维折射面后准直出射。所有的光束经过准直直射后，再通过三维自由曲面出光面折射，重新分配出射光的方向，将准直光束扩展到一定的角度，并在目标照明面上形成均匀的矩形光照度分布。 

该自由曲面透镜通过将多个光学结合到一个完整器件，使得整体的器件结构更为紧凑，并在一定程度上避免了多器件的光学损失，提高了整体的能量利用效率，并且光学性能突出，可配合LED器件应用于各种需要均匀照明的场合，包括室内照明。 

本实用新型与现有技术相比，所产生的有益效果是： 

1）、利用瓦级大功率LED器件可作为一有限尺寸的扩展光源，能够起到天然的扩展作用，便于实现出射光斑的角度扩展；

2）、利用LED单面发光的特点，通过一个折射圆柱面，一个三维全反射面，一个三维折射面和一个三维自由曲面出光面，综合利用了全反射和折射原理。同时，将多个光学表面紧凑地整合到单一的折射器件上，减少了多级光学表面的级联损失，对于单面发光的LED器件的光通量利用率达到90%以上，提高了整个系统的效率。

3）、所述的多表面自由曲面光学透镜结构紧凑。由于透镜的材料低廉，加工成模工艺也较为成熟，便于开模加工。