[发明专利]一种用于LED面光源准直的光学系统

说明书

本发明公开了一种用于LED面光源准直的光学系统，属于发光二极管封装和应用技术领域。系统包括反射体、第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜固定在所述反射体的内腔面上，整个系统关于其中心轴旋转对称；LED面光源出射的大角度光经所述反射体的外侧抛物面反射后从台阶型平面出射，LED面光源出射的小角度光经所述第一透镜、第二透镜和第三透镜折射后出射；光学系统的总长度为21.4mm，出光孔径为40mm，LED光源放在第一透镜前表面中心前4.3mm，当LED光源发光面积为2mm×2mm时，准直后光束的最大发散半角小于3度；考虑菲涅尔损失和材料吸收，光能利用率能达85％左右。

技术领域：

本发明涉及一种用于LED面光源准直的光学系统，属于发光二极管封装和应用技术领域。

背景技术：

LED光源具体体积小、效率高、响应快、色域范围宽、使用寿命长等特点，在投影显示、背光光源、道路照明、光固化3D打印等领域得到了广泛的应用。由于大多数LED光源的空间光强呈Lambertian型分布，使其在被照面上所形成的光照度随出射角的增大而迅速衰减，很难满足实际需要，因此，需要对LED光源进行二次光学设计。

目前，针对LED准直所设计的结构有很多，如申请公布号为CN103162234A、CN103511982A、CN104696884A的发明专利等，基本上都是将LED面光源视为点光源进行设计的，当这类准直器用于2mm×2mm或者3mm×3mm的LED面光源准直时，其准直效果并不理想，出射光束具有较大的发散角，且引入了自由曲面，给加工制造带来较大困难。因此，设计出一种无自由曲面、可用于较大发光面的LED光源准直的光学系统具有重要的应用价值。

发明内容

本发明针对现有LED光源准直器普遍基于点光源进行设计从而对LED面光源的准直效果欠佳的问题，设计出一种用于LED面光源准直的光学系统；该光学系统对较大发光面的LED光源准直效果好，当LED面光源尺寸为2mm×2mm时，出射光束的最大发散半角小于3度，而且无自由曲面，给加工制造带来便利。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种用于LED面光源准直的光学系统，包括PMMA材料或者PC材料制成的反射体、第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述反射体的外侧为抛物面、内部具有台阶型平面、内腔面和内侧球面，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜固定在所述反射体的内腔面上，LED光源置于所述反射体的内侧球面的球心处，所述光学系统关于其中心轴旋转对称；从LED光源发出的光照射到第一透镜的部分经第一透镜、第二透镜和第三透镜折射后出射，照射到所述内侧球面的部分经外侧抛物面反射后从台阶型平面出射。

优选的，所述反射体的内侧球面的曲率半径R11为5.657mm，其外侧抛物面的轮廓线应满足下列方程：

其中k、b为该方程的系数，本发明的k值取0.0633，b值取-3.95，x取值范围为7.9≤x≤20。

优选的，所述反射体的内腔面由圆柱面、圆台面和圆环面组成，其中与所述第一透镜的接触面为一圆台面，与所述第二透镜的接触面为一圆柱面和一圆环面，与所述第三透镜的接触面为一圆柱面，其余表面为圆台面。

优选的，所述第一透镜具有第一透镜前表面和第一透镜后表面，所述第一透镜前表面为球面，孔径d2为8mm,球面半径R15为-27.226mm，所述第一透镜后表面为球面，孔径d1为8.8mm，球面半径R16为-6.093mm，所述第一透镜的中心厚度L2为2mm。

优选的，所述第二透镜具有第二透镜前表面和第二透镜后表面，所述第二透镜前表面为球面，孔径d3为12mm,球面半径R17为-25.809mm，所述第二透镜后表面为球面，孔径d4为12.6mm，球面半径R18为-9.844mm，所述第二透镜的中心厚度L4为2mm。