专利名称：Led小角度远距离送光镜组及阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学镜头，特别适用于LED小角度送光镜。 现有技术LED光源以其高效、节能、环保、长寿命、小尺寸的优点己广泛用于背景光源、显示器件、复印机、激光印刷机等成像照 明领域，上述应用通常局限在近距离面阵照明，单粒组合显示用途，这是由于LED散射发光特性决定，其初始发散角可接近180° ，这对 于近距离大面积照明是有利的，但照明距离有限。因此，LED厂家通 常在封装时进行了简单的配光，收縮发散角。例如采用柱状透镜封装， 可以一定量收縮发散角，市场上可见到60° 、 30° 、 15°半功率发 散角，但其光利用率低，聚光透镜直接与发光芯片封装接触，工作温 度高，极易老化，产生裂纹，使透镜的透光性能大大下降。大量的光 在封装体内漫反射，产生更多的热能导致封装透镜进一步老化失效。 有一些大功率光源用上述LED列阵组合照明，但体积大，发散角偏大， 不便于大功率远距离送光。査阅LED光源中国专利，主要集中在LED封装和中近距离照明系 统，最相近的专利有两个。申请号200380105936.0 "透镜阵列板及 其制造方法"，发明目的是有效将漫射光聚集到一光利用表面(如复 印机或激光印刷机的成像面液晶显示板等，属近距离均匀照明系统。 申请号200710118965.0，" 一种用于LED光源透镜"，发明的目的是 使LED光源发出的光经透镜后在远场形成一个矩形、正方形或条状的 光照明范围，以方便用于路照明时路面的条状均匀照明。用于LED路灯照明属中距离照明系统。它出射的光束在X和Y相垂直的两个方位 发散角相差很大，无法向远距离送光。并且由于要切割出矩形的照明 视场，截止或切割了部分光线，造成了光能量的损失。近年来平安城市工程等安防监控系统已趋向日夜全天候监控，对 夜间室外监控，普遍要求采用红外照明，以减少光污染。LED红外光 源制作技术和工艺已成熟，近红外LED以低耗能、长寿命特点使其成 为较好的红外光源。近距离的照明系统下无论是可见光的还是红外光 已普遍采用LED作光源。远距离红外照明系统，目前普遍采用的是经 过简单聚光封装的单颗红外LED捆绑列阵，以大面积捆绑组成大功率 LED阵列向远距离送光。但由于其体积大和前述原因寿命短、照明系 统维护费用高，制约着其进一步的发展和应用。不断有安防监控用户 提出需要一种体积小、寿命长、发光效率高、低能耗的长距离红外照 明系统，我们的远距离小角度送光镜组就是在这样的市场技术背景下 提出并研发的。
发明内容
本发明的目的是为了使LED芯片发出的大角度散射光 经过反光碗和透镜的二次配光后，高效收集光能量，会聚光束，实现 小角度向远距离送光。提供一种小角度远距离送光镜组及阵列。本发明的送光镜组方案是每个送光镜组配一个发光芯片，每个送光镜组包含反光碗和收光 透镜；反光碗由上下开口的内回转曲面组成。回转曲面由圆锥曲线绕着 其对称轴回转而成；内反射面镀全反射膜，反光碗的底部为水平的圆 形其中心与圆锥曲线的焦点重合，在焦点位置安装LED发光芯片；所述的收光透镜由环周的圆锥曲线回转面、上出光曲面和下入光曲面组成。收光透镜的回转曲线可以是与反光碗同一条圆锥曲线的不 同段或不同的圆锥曲线，但反光碗的出口与收光透镜的入口有对应吻合的配合位置关系；收光透镜的下入光曲面由两部分组成，中心环带 是具有回转对称的凸面，外环带是具有回转对称的凹面；上出光面也 由两部分组成，中心环带是回转对称凸面，外环带是相对中心环带曲 率半径较大的且凸面或凹面，该外环带曲率满足以下条件使到达该 环带光线小角度偏折后以等于小于设计的极限角度e 。出射；收光透 镜上下曲面中心环带构成凸透镜其焦点在圆锥曲线的焦点；该收光透 镜满足以下条件收光透镜上下曲面中心环带对应构成凸透镜对LED 芯片发出的中心区较小角度光束进行收縮汇聚，以接近0°的很小的 发射角出射；LED芯片发出的过渡区较大角度光束进入收光透镜的下 入光面的外圈区域的凹面，向外偏折后以大于全反射临界角的入射角 射向收光透镜圆锥曲线的回转面，并在其内壁并产生全反射后经过收光透镜上出光曲面的外圈区域偏折后以小于等于设计的极限角度e 。出射。反光碗的高度与收光透镜高度相匹配即可，组合后的总高度与出 光口径之比L/D与设计出光角度相关联；组合后的总高度满足以下条 件出光角度越小，L/D就越大，配光镜组尺寸越大；LED芯片发出 的外圈区大角度光束进入反光碗的回转反射面反射后进入收光透镜 的下入光面的外圈区域的凹面，被稍微向外偏折进入上出光面的外圈区域向内偏折，最后以小于等于设计的极限角度e。出射。本发明阵列的方案是由多个送光镜组阵列组合而成，排列间距满 足以下条件每一组的光线不干扰进入另一组并且间隙适当为宜。本发明的优点在于LED芯片发出的大角度散射光经过反光碗和透镜的二次配光后，高效收集光能量，并最大限度收縮发光角，使其发光角度达到设计角度e。(本发明实施例设计角度e。《10。)，实 现远距离小角度光传送。二次配光光学组尺寸小，安装方便。列阵配 光后的LED在远场形成高亮度、均匀的面阵照明，特别适合中远距离 的高亮度均匀照明系统。
图i是本发明实施例i的送光镜组结构示意2是本发明实施例2送光镜组3X3列阵结构示意图 图3是图2的剖视图
具体实施例方式每个送光镜组包含反光碗7和收光透镜9。每个送光镜组配一个 发光芯片3。发光芯片3装在发光芯片基板4上，发光芯片基板4与 反光碗底平面5定位配合如图1所示。反光碗7由上下开口的内回转曲面组成如图l所示。反光碗7的 回转曲面6由圆锥曲线(本发明实例1是抛物线，也可以是椭圆和双 曲线。)的一段绕着其对称轴回转而成。反光碗7的底平面5是水平 的圆形其中心与圆锥曲线的焦点重合，在焦点位置安装LED发光芯片 3，使在焦点位置的LED芯片3发出的大角度光到达回转曲面6内反 射后以与光轴成很小的角度出射。反光碗7的内反射面回转曲面6镀 全反射膜。所述的收光透镜9由环周的圆锥曲线回转面8、上出光曲面和下 入光曲面组成如图1所示。收光透镜9的回转曲线可以是与反光碗7 同一条圆锥曲线的不同段或不同的圆锥曲线，但反光碗7的出口与收 光透镜9的入口有对应吻合的位置关系。收光透镜9的下入光曲面由两部分组成，中心环带2是具有回转对称的凸面，外环带1是具有回 转对称的凹面。上出光面也由两部分组成，中心环11带是回转对称 凸面，外环带10是相对中心环带11曲率半径较大的凸面或凹面。所述的收光透镜9上下曲面中心环带对应构成凸透镜对LED芯片 3发出的小角度光束进行收縮汇聚，以接近0。的很小的发散角出射； LED芯片3发出较大角度的光线进入收光透镜9的入光曲面的外环带 l偏折，以大于全反射临界角0 i。二arcsin (1 / n)的入射角到达环 周的回转曲面8，并产生全反射，再经过上出光面外环带10偏折后 以小于等于设计极限角度e 。出射；LED芯片3发出的大角度光到达反 光碗7的回转曲面6内反射后进入收光透镜9的下入光曲面的外环带 1稍微向外偏折再到达收光透镜9的上出光曲面的外环带10稍微向 内偏折后以小于等于设计极限角度e。出射。由此实现了 LED芯片3 散射光高效收集汇聚后以小角度送出的目的。光能量有效利用率大于 90%。所述的收光透镜9的回转曲线在实施例1中为抛物线的一部分， 也可以是椭圆曲线的、双曲线的一部分。反光碗7内反射面除了上述 圆锥曲线以外，也可以是与中心轴有一定倾斜角的直线的回转面—— 圆锥曲面，收光透镜9材料是透光的材料，折射率在1.3—3.5之间。反光碗7的高度与收光透镜9高度相匹配即可，组合后的总高度 L与出光口径D之比L/D与设计出光角度相关联。出光角度越小，L/D 就越大，配光镜组尺寸越大。L/D可以在0-oo。因此，理论上本发明 的方法可以设计接近0度的很小角度送光镜组。但是综合考虑送光角 度与镜组尺寸的平衡，本发明实施例设计角度为10° 。所述送光镜组阵列实施方式有两个，方式一若干个送光镜组为单元阵列组合而成，排列间距满足以下条件每一组的光线不干扰进入 另一组并且间隙适当为宜。方式二是将发光芯片阵列组合成发光芯片 板13，反光碗阵列组合成反光碗板14，收光透镜阵列组合成收光透 镜板15。它们有相同的间距和列阵方式，排列间距满足条件每一组的光线不千扰进入另一组并且间隔适当为宜。阵列LED芯片板13、 反光碗板14和收光透镜板15以确定的配合位置安装如图2。反光碗 板14中每一个反光碗对应收光透镜板15中对应的收光透镜。每一个 反光碗的底平面中心位置对应配置一个LED芯片，使得每一个LED芯 片发出的光线进入对应反光碗和与它配合的收光透镜，并使各部分光 线符合前述的方式，经过送光镜组阵列以设计的e 。小角度送出。所述发光芯片板13中的每一个发光芯片的结构、材料和工作原 理与前述的相同。所述反光碗板14中的每一个反光碗的结构、材料和工作原理与 前述的相同。所述收光透镜板15中的每一个收光透镜的结构、材料和工作原 理与前述的相同。本发明所公布小角度送光透镜组实施例1如图1所示 下面结合附图通过实施例对本发明作珠一步的说明。 反光碗7的结构如图1所示，它的内侧面6是由抛物线y2 = 2px 绕对称轴旋转的回转曲面并镀全反射膜。反光碗7的底平面5为水平 圆形其中心与圆锥曲线的焦点重合，上开口平面12为出光口，上平 面12到底平面5的垂直距离即反光碗的高度h，反光碗7出光口的 直径d，反光碗7的出光口的直径与高度之d/h = 0. 2-4。 LED芯片3 的对角线长度小于反光碗7开口底平面5的直径。本发明的实施例1收光透镜7如图1所示，是由抛物线回转曲面 8和中心对称上下曲面组成的透光实体。收光透镜9的回转抛物线与 反光碗7的回转抛物线是同一条曲线的不同两段，如图1在配合部分 为曲线重迭部分。本实施例1重迭部分垂直高度约为1-3mm，送光透 镜9的轴向高度约为6-10mm，送光透镜9与反光碗7装配后轴向高 度约为10-14mm，这个高度与出光口径之比(D / H)与设计出光角 度相关，出光角度越小，D/H越小。收光透镜7上下曲面都是中心轴 对称回转曲面。下入光曲面中心区域2为凸球面(1 〈R 〈10)，但不 限于凸球面，也可以是二次曲线的回转凸面或平面；外圈区域1是与 中心轴夹角约为60。 -90°的凹锥面，但不限于凹锥面，也可以是二 次曲线回转凹面；上出光面对应中心区域11为凸球面(5〈R 〈20)， 它可以是其它二次曲面回转凸面或平面。外圈区域10是的凹球面(1 <R 〈10)。上下面中心区域的对应凸球面或平面组成凸透镜其焦点在 反光碗7和收光透镜9的回转抛物线的焦点。 具体光路分析如图1:在本实施例1中LED芯片3发出的散射光被分三个区域进行处 理，中心区小角度O。 25° ，过渡区较大角度25。 50° ，外圈区 大角度50° 90° 。中心区小角度光线进入收光透镜9下入光面的中心带2的凸球 面，会聚偏折到达上出光面中心带11的凸球面再次偏折后以接近0 °的小角度光出射，如图1模拟了 0° ， +25° ， 一25°三条光线的 偏折出射情况。LED芯片3发出的过渡区较大角度25。 50°的光进入收光透镜 9的下入射面的外圈区域1的凹面，经过向外偏折后以大于全反射角的入射角射向收光透镜9的抛物线回转面8，并在其内壁并产生全反 射后经过收光透镜9上出光曲面的外圈区域10偏折后以小于等于设计的极限角度e。(本实施例设计出光角度0。=10° )出射。LED芯片3发出的外圈区大角度50。 90°光线先进入反光碗7 的抛物线回转内反射面6，反射后小角度进入收光透镜的下入光面的 外圈区域1的凹面，被稍微向外偏折进入上出光面的外圈区域10再 被向内偏折，最后以小于等于设计的极限角度e。(本实施例设计出 光角度6。=10° )出射。综上，本发明的中心思想是将LED芯片3的散射光分三个区域进 行处理。大角度的光线先进入反光碗7反射后以基本平行于轴线方向 进入收光透镜9下入光面外环带1后，稍微向外偏折后在上出光面外 环带ll稍微向内偏折后以小角度(e。《ur )出射。较大角度光线 直接进入收光透镜9下表面外圈区域1向外偏折加大入射角，在收光 透镜9抛物回转面8上全反射后再经过上出光面外环带11进一步修 正，小角度出射。小角度光直接进入收光透镜9下表面中心区2凸球 面会聚偏折到达上表面中心区凸球面10再会聚修正，以接近0°平行光出射，三部分光线最终都以e 。〉 e 〉o的角度出射。本例中e c=10o 0本发明还公开了如图2所示的用于LED芯片3X3列阵的本发明 实施例2送光镜组3X3列阵图。送光镜组反光碗为列阵连体结构，收 光透镜为列阵连体结构。反光碗板14和收光透镜板15可以依据LED 芯片不同列阵设计成相应的列阵结构。若干个实施例2的3X3列阵 可以拼接组合成更大的列阵。
权利要求
1、LED小角度远距离送光镜组，包括LED光源、透镜，其特征在于每个送光镜组配一个发光芯片3，每个送光镜组包含反光碗7和收光透镜9；反光碗7由上下开口的内回转曲面6组成。回转曲面6由圆锥曲线绕着其对称轴回转而成；内反射面镀全反射膜，反光碗7的底部为水平的圆形其中心与圆锥曲线的焦点重合，在焦点位置安装LED发光芯片3；所述的收光透镜9由环周的圆锥曲线回转面、上出光曲面和下入光曲面组成。收光透镜9的回转曲线可以是与反光碗7同一条圆锥曲线的不同段或不同的圆锥曲线，但反光碗7的出口与收光透镜9的入口有对应吻合的配合位置关系；收光透镜9的下入光曲面由两部分组成，中心环带2是具有回转对称的凸面，外环带1是具有回转对称的凹面；上出光面也由两部分组成，中心环带11是回转对称凸面，外环带10是相对中心环带11曲率半径较大的且凸面或凹面，该外环带10曲率满足以下条件使到达该环带光线小角度偏折后以等于小于设计的极限角度θc出射；收光透镜9上下曲面中心环带构成凸透镜其焦点在圆锥曲线的焦点；该收光透镜9满足以下条件收光透镜9上下曲面中心环带对应构成凸透镜对LED芯片3发出的中心区较小角度光束进行收缩汇聚，以接近0°的很小的发射角出射；LED芯片3发出的过渡区较大角度光束进入收光透镜9的下入光面的外圈区域的凹面，向外偏折后以大于全反射临界角的入射角射向收光透镜9圆锥曲线的回转面8，并在其内壁并产生全反射后经过收光透镜9上出光曲面的外圈区域10偏折后以小于等于设计的极限角度θc出射；反光碗7的高度与收光透镜9高度相匹配即可，组合后的总高度与出光口径之比L/D与设计出光角度相关联；组合后的总高度满足以下条件出光角度越小，L/D就越大，配光镜组尺寸越大；LED芯片3发出的外圈区大角度光束进入反光碗7的回转反射面7反射后进入收光透镜9的下入光面的外圈区域1的凹面，被稍微向外偏折进入上出光面的外圈区域10向内偏折，最后以小于等于设计的极限角度θc出射。
2、 根据权利要求1所述的LED小角度远距离送光镜组，其特征 在于收光透镜9的折射率在1. 3 3. 5之间。
3、 根据权利要求1所述的LED小角度远距离送光镜组，其特征 在于出光口的直径与反光碗7的高度之d / h = 0.2-4。
4、 根据权利要求1所述的LED小角度远距离送光镜组，其特征 在于LED发光芯片3对角线尺寸小于反光碗7的底平面5的直径。
5、 LED小角度远距离送光镜组列阵，其特征在于是由多个送光 镜组阵列组合而成，排列间距满足以下条件每一组的光线不干扰进 入另 一组并且间隙适当为宜；每个送光镜组配一个发光芯片3，每个送光镜组包含反光碗7和 收光透镜9;反光碗7由上下开口的内回转曲面6组成。回转曲面6由圆锥曲线绕着其对称轴回转而成；内反射面镀全反射膜，反光碗7的底部为 水平的圆形其中心与圆锥曲线的焦点重合，在焦点位置安装LED发光 芯片3;所述的收光透镜9由环周的圆锥曲线回转面、上出光曲面和下入 光曲面组成。收光透镜9的回转曲线可以是与反光碗7同一条圆锥曲 线的不同段或不同的圆锥曲线，但反光碗7的出口与收光透镜9的入 口有对应吻合的配合位置关系；收光透镜9的下入光曲面由两部分组 成，中心环带2是具有回转对称的凸面，外环带1是具有回转对称的 凹面；上出光面也由两部分组成，中心环带11是回转对称凸面，外 环带10是相对中心环带11曲率半径较大的且凸面或凹面，该外环带 10曲率满足以下条件使到达该环带光线小角度偏折后以等于小于 设计的极限角度e 。出射；收光透镜9上下曲面中心环带构成凸透镜 其焦点在圆锥曲线的焦点；该收光透镜9满足以下条件收光透镜9 上下曲面中心环带对应构成凸透镜对LED芯片3发出的中心区较小角 度光束进行收縮汇聚，以接近0。的很小的发射角出射；LED芯片3 发出的过渡区较大角度光束进入收光透镜9的下入光面的外圈区域 的凹面，向外偏折后以大于全反射临界角的入射角射向收光透镜9圆 锥曲线的回转面8，并在其内壁并产生全反射后经过收光透镜9上出 光曲面的外圈区域10偏折后以小于等于设计的极限角度e 。出射；反光碗7的高度与收光透镜9高度相匹配即可，组合后的总高度 与出光口径之比L/D与设计出光角度相关联；组合后的总高度满足以 下条件出光角度越小，L/D就越大，配光镜组尺寸越大；LED芯片发出的外圈区大角度光束进入反光碗7的回转反射面7反射后进入 收光透镜9的下入光面的外圈区域1的凹面，被稍微向外偏折进入上出光面的外圈区域IO向内偏折，最后以小于等于设计的极限角度e。出射。
6. 根据权利要求5所述的LED小角度远距离送光镜组列阵，其 特征在于将发光芯片3阵列组合成发光芯片板13，反光碗7阵列组 合成反光碗板14，收光透镜9阵列组合成收光透镜板15，它们有相 同的间距和列阵方式，排列间距满足条件每一组的光线不干扰进入 另一组并且间隔适当为宜，阵列LED芯片板13、反光碗板14和收光 透镜板15以确定的配合位置安装。
7. 根据权利要求5所述的LED小角度远距离送光镜组列阵，其 特征在于若干个送光镜组为单元阵列组合而成，排列间距满足以下条 件每一组的光线不干扰进入另一组并且间隙适当为宜。
全文摘要
LED小角度远距离送光镜组及阵列，涉及光学镜头，每个送光镜组配一个发光芯片，每个送光镜组包含反光碗和收光透镜；反光碗由上下开口的圆锥曲线回转面组成。内反射面镀全反射膜，圆锥曲线回转面的焦点位置安装LED发光芯片；其发射的大角度光线被反射汇聚。收光透镜由环周的圆锥曲线回转面、上下出光曲面组成。反光碗的出口与收光镜的入口有对应吻合；收光透镜上下曲面中心环带的凸面构成凸透镜其焦点在圆锥曲线的焦点附近；LED芯片发出的较小角度光束被收缩汇聚，过渡区的光经过透镜的反射汇聚。阵列是由多个送光镜组排列组合而成。其优点在于LED芯片发出的大角度散射光经过反光碗和透镜的二次配光后，高效收集光能量，最大限度收缩光角。
文档编号F21V5/04GK101240885SQ20071000996
公开日2008年8月13日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者李嘉穗, 李锦泉, 林瑞梅, 敏 王 申请人:王 敏;林瑞梅;李锦泉;李嘉穗