專利名稱：中心分光反射式光學單元及系統(tǒng)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，尤其涉及一種中心分光反射式光學單元 及系統(tǒng)及中心分光反射式光學單元的制作方法。
背景技術(shù)：
白熾燈和焚光燈之后，被譽為照明領(lǐng)域的"第三次革命"的半導(dǎo)體照明具有 體積小，高效，直流低壓，綠色環(huán)保，壽命長，顯色性高等優(yōu)點，其市場巨大，
發(fā)展迅猛。目前商用大功率白光LED的發(fā)光效率已達到801m/W,使用壽命30000 小時，2010年將達或超過1001m/W， 2015年將達到150~ 2001m/W,使用壽命 100000小時。其發(fā)展前景已經(jīng)十分明確，即在大部分應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)光源。
目前采用LED作為路燈光源是LED應(yīng)用的熱點。根據(jù)LED光源本身角度配 光具有能量集中在光軸方向的特點，通過一定規(guī)律的幾何排布可以使燈具照明 范圍擴展，例如中國實用新型專利200520062069. 3所描述的"LED路燈"把LED 安裝在突起的安裝面上，能擴大LED路燈的照射范圍。中國發(fā)明專利 200610049888. 3所描述的"大功率LED路燈"把大功率LED置于散熱底座表面， 每個LED燈頭套接有對應(yīng)透鏡，并夾裝在透光罩和散熱底座之間，該方法利用 透鏡實現(xiàn)光強角度的擴展。但以上兩種方法對調(diào)整燈具角度配光的效果有限， 所形成的光斑仍然為類圓形，且路面照度均勻度低。
為了獲得最高的利用效率，適用于道路照明的照明效果應(yīng)該是燈具發(fā)出的 大部分光射向遠離燈的出光面方向，能量集中位于道路有效照明范圍內(nèi)且照度 均勻，對于一般的LED光源，這需要對配光進行大幅度的調(diào)整。中國發(fā)明申請 專利200710118965. 0所描述的"一種用于LED光源的透鏡"巧妙地利用透鏡與 空氣間的大折射率差造成界面全反射，把射到側(cè)面的光經(jīng)過全反射和折射射向 所需的角度，但這種設(shè)計方式需要同時考慮光源配光、材料折射率、折射率對全反射角影響及出光界面角度偏轉(zhuǎn)等諸方面因素，設(shè)計復(fù)雜，且對光源出光可調(diào)節(jié)范圍有限。中國發(fā)明申請專利200710044721. 2所述的"一種形成矩形光斑 的LED路燈裝置"通過側(cè)面反射杯把LED出光變?yōu)槠叫泄?，并通過出光面的微 透鏡控制光的出光方向，但采用反射杯僅能把光源發(fā)出的一部分光反射為平行 光，同時，微透鏡亦不可能對大面積光源實施有效的大角度擴展，難以實現(xiàn)大 角度矩形光斑。中國發(fā)明申請專利200710073278. l所述的"LED路燈及其透鏡，， 通過在燈罩上制作三維立體透鏡組與每個LED——對應(yīng)，實現(xiàn)照明矩形光斑的 目的，但這種結(jié)構(gòu)的燈罩外表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易積聚灰泥影響出光效果。 發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種實現(xiàn)大幅度調(diào)整光源角度 配光的中心分光反射式光學單元。另外，本發(fā)明還提供了一種中心分光反射式光學系統(tǒng)及中心分光反射式光 學單元的制作方法。所述的中心分光反射式光學結(jié)構(gòu)由LED光源，透光區(qū)域，中心分光反射曲面 和側(cè)面反射曲面四部分組成。所述的四部分之間的關(guān)系滿足中心分光反射曲 面位于LED光源出光光軸上，側(cè)面反射曲面位于LED光源側(cè)面，中心分光反射 曲面與側(cè)面反射曲面之間留空區(qū)域形成透光區(qū)域。LED光源發(fā)出的部分光在中心 分光反射曲面或側(cè)面反射曲面發(fā)生不少于一次反射后射向特定的方向，并與其 余光在透光區(qū)域混合出射。本發(fā)明的中心分光反射式光學結(jié)構(gòu)包含LED光源，透光區(qū)域，中心分光反射 曲面和側(cè)面反射曲面四部分。所述的四部分之間的關(guān)系滿足中心分光反射曲 面位于LED光源出光光軸上，側(cè)面反射曲面位于LED光源側(cè)面，中心分光反射 曲面與側(cè)面反射曲面之間留空區(qū)域形成透光區(qū)域。 其中，中心分光反射曲面是向LED突起的曲面。方向；由LED光源發(fā)出的部分光沒有投射在任意反射曲面上；由LED光源發(fā)出 的遠光軸方向光才更射在側(cè)面反射曲面后反射至近光軸方向；由LED光源發(fā)出的5特殊角度光經(jīng)過不少于兩次反射；以上四種光在出光區(qū)域混合獲得新的角度配
光曲線。
出光光路中設(shè)置中心反射曲面是本發(fā)明的重要特征，而這種結(jié)構(gòu)特別適用于泛 光光學設(shè)計。過去的反射式光學設(shè)計關(guān)注側(cè)面反射曲面，通過調(diào)整遠光軸方向 的光，使出射光集中于光軸方向，其典型的應(yīng)用局限于手電筒反射杯，探照燈 反射杯等聚光場合。在本發(fā)明中，通過創(chuàng)新的在出光光路中設(shè)置中心反射曲面， 將近光軸光反射至遠光軸方向，而通過側(cè)面反射曲面，對燈具近光軸方向合理 配光，實現(xiàn)大幅度調(diào)整光源的配光曲線的目的，而通過調(diào)整中心分光曲面、側(cè) 面反射曲面的曲面形狀，從而獲得均勻的反光照射效果。對中心反射面及側(cè)面 反射曲面形狀的設(shè)計，其設(shè)計過程一般包括非成像曲面理論計算，數(shù)值模擬及 實體驗證三個步驟。第一步非成像曲面理論計算是根據(jù)光源特點和所需要的光
學效果特征選擇反射曲面的類型，并計算出曲面輪廓的數(shù)值方程；第二步數(shù)值
模擬是在計算機中建立光學實體模型，通過蒙特卡羅光線追跡的方式模擬光學
效果，常用的模擬軟件包括Trac印ro, ASAP, LightTool等；第三步實體驗證 是通過快速成型或模具制作出所設(shè)計的光學元件，通過光學設(shè)計測試平臺，驗 證實際的光學效果，并與設(shè)計比對及對實體模型進行調(diào)整，獲得最優(yōu)的設(shè)計結(jié) 構(gòu)。
為了說明中心分光反射式光學結(jié)構(gòu)具有實用的照明設(shè)計效果，我們采用 Trac印ro建立光學模型，令接受面距離光源10米，觀察接受面上的光斑及光斑 的均勻度。采用LED光源直接照射時，接受面上看到的是一個僅中心照度強， 但外圍照度暗的圓斑，光斑均勻度低；而采用中心分光反射式光學結(jié)構(gòu)后，接 收面上獲得一個大面積的長條形亮斑，光斑均勻度高。
本發(fā)明所提出的中心分光反射式光學設(shè)計能夠大幅度改變LED光源配光曲 線，較一般側(cè)面反射式光學設(shè)計和非球面透鏡式光學設(shè)計有明顯優(yōu)點中心分 光式結(jié)構(gòu)能調(diào)整光源的近軸向出射光，能夠獲得泛光式大面積均勻照明，而側(cè) 面反射式結(jié)構(gòu)僅調(diào)整光源的遠軸向出射光，僅能獲得聚光效果；采用非球面透鏡也能實現(xiàn)大幅度調(diào)整配光曲線，但非球面透鏡設(shè)計及制作遠比反射式結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。


圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1的的光路分析圖；圖3為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a、 4b分別為圖3的側(cè)視縱向截面圖和橫向截面圖；圖5為本發(fā)明實施例6的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明制作的以透明物為反射面載體的結(jié)構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明實施例7的中心分光反射式光學單元的結(jié)構(gòu)圖；圖8為采用實施例7組成的中心分光反射式光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為現(xiàn)有臺燈光學結(jié)構(gòu)；圖IO為應(yīng)用本發(fā)明實現(xiàn)的臺燈光學結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。 實施例1本發(fā)明所公開的一種中心分光反射式光學單元，如圖l所示，包括LED光源 1及反射式光學單元，該反射式光學單元包括設(shè)于LED光源1出光光軸5上的中 心分光反射曲面3及設(shè)于LED光源1側(cè)邊的側(cè)面反射曲面4,且中心分光反射曲 面3與側(cè)面反射曲面4之間留有透光區(qū)域2。如圖2所示，由LED光源1發(fā)出的 近光軸方向光11投射在中心分光反射曲面3后反射至遠光軸方向；由LED光源 1發(fā)出的部分光12不能投射在任意反射曲面上；由LED光源1發(fā)出的遠光軸方 向光13投射在側(cè)面反射曲面4后反射至近光軸方向；由LED光源1發(fā)出的特殊 角度光14經(jīng)過不少于兩次反射；以上四種光在出光區(qū)域2混合獲得新的角度配 光曲線。該中心分光反射曲面3為向LED光源1凸起的曲面，側(cè)面反射曲面4與出 光光軸呈一定傾斜角且沿出光光軸往外傾斜。該中心分光反射面21為以下曲面中的任何一種平面、球面、橢球面、雙 曲面、拋物面、錐面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是 以上所述曲面中4壬j可一種或兩種以上的面4并4秦而成。
該側(cè)面反射曲面4為以下曲面中的任何一種平面、i求面、橢球面、雙曲 面、拋物面、錐面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以 上所述曲面中4壬〗可一種或兩種以上的面4并*接而成。 實施例2
本實施例公開了其中一種中心分光反射式光學單元，圖3是這種光學結(jié)構(gòu)的 三維圖，主要包括LED光源1與反射式光學單元20兩部分，圖4a及4b是這種 光學結(jié)構(gòu)組裝后的側(cè)向二維視圖。中心分光反射面為一個類三棱柱21的兩個斜 面，側(cè)面反射面為由四個曲面圍成的碗形反射面22,中心分光反射面與側(cè)面反 射面制作在一個不規(guī)則形狀的反射體20表面，該反射體中形成一個與LED光源 燈頭IO外形匹配的空腔。 實施例3
本實施例的結(jié)構(gòu)與實施例1相似，其在實施例1上進一步將該透光區(qū)域2 填充一層透明物質(zhì)42。該中心分光反射曲面3及側(cè)面反射曲面4為在透明物質(zhì) 42上采用電鍍、真空蒸鍍、濺射、反射薄片粘貼或表面拋光的方法所形成的具 有反射效果的界面。 實施例4
本實施例提供了 一種中心分光反射式光學系統(tǒng)，其包括一功能平板及設(shè)于 功能平板上并實現(xiàn)電連接的多個LED光源及位于功能平板上的反射式光學模組， 該反射式光學模組由多個實施例1所述的反射式光學單元拼接構(gòu)成，且每個反 射式光學單元與每個LED光源一一對應(yīng)。由此實現(xiàn)LED大功率模塊化集成。 實施例5
如圖5所示，本實施例提供了另外一種中心分光反射式光學系統(tǒng)，其包括 一功能平板32及設(shè)于功能平板32上并實現(xiàn)電連接的多個LED光源31及位于功 能平板32上的反射式光學模組30,該反射式光學模組30包括間隔分布的實施例1所述的反射式光學單元33及第二反射式光學單元34拼接構(gòu)成，該第二反 射式光學單元34由設(shè)于LED光源31側(cè)邊的側(cè)面反射曲面構(gòu)成。LED光源發(fā)出的 光分別經(jīng)過兩種反射單元后獲得的混合光能夠獲得與單獨使用其中一種反射單 元所不同的效果。 實施例6本實施例提供了一種實施例3所述的中心分光反射式光學單元的制作方法， 如圖6所示，其包;t舌以下步驟(1) 將臺體狀的透明物體的上下臺面各挖去一個空腔54、 51;(2) 將LED光源設(shè)于下臺面的空腔51內(nèi)；(3) 在上臺面的空腔54表面形成反射面以形成中心分光反射曲面；(4) 在臺體四周側(cè)面形成另一反射面以形成側(cè)面反射曲面。 反射面的形成方式可采用電鍍、真空蒸鍍、濺射、反射薄片粘貼或表面拋光的方法，該透明物質(zhì)由高分子透明聚合物或玻璃材料組成。 實施例7本實施例公開了另一種采用本發(fā)明的中心分光反射式光學單元的制作方法。 如圖7所示，圖中LED光源41固定在具有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的封裝支架40上，封裝支 架的內(nèi)凹斜面43制作成側(cè)面反射面，LED芯片表面涂覆熒光粉或不涂覆熒光粉， 內(nèi)凹杯石宛內(nèi)灌封一層透明物質(zhì)42。透明物中制作一個物質(zhì)組成不同于該透明物 的異質(zhì)材料區(qū)域，并在該異質(zhì)材料區(qū)域的表面44制作中心分光反射界面，該反 射界面可以通過以下方式的任意一種實現(xiàn)放置一個反射體，放置一個折射率 遠小于透明物42的物體，把該區(qū)域留空，把該區(qū)域留空且在該區(qū)域表面蒸鍍反 射層。在所述表面44和支架內(nèi)凹斜面43間形成透光區(qū)域。因此，本發(fā)明所需 要的中心分光反射面和側(cè)面發(fā)射面，出光區(qū)域，光源均齊備，能實現(xiàn)本發(fā)明所 要達到的功能。圖8是將以上設(shè)計為單元的多芯片LED封裝結(jié)構(gòu)。 實施例8如圖9所示，以下公開一種采用本發(fā)明"一種用于LED光源的中心分光反射 式光學結(jié)構(gòu)"實現(xiàn)的臺燈光學結(jié)構(gòu)。類似實施例1的，可以通過中心分光反射式光學結(jié)構(gòu)在臺燈下獲得大面積的均勻的照明效果，但在這里，中心分光反射
式光學結(jié)構(gòu)還有一個更重要的作用一一解決LED臺燈遮擋物下嚴重重影的問題。 LED臺燈一般采用多顆LED61集成照明，當光源下有遮光物62,各顆LED發(fā)出 的光在遮光物下分別形成陰影區(qū)，由于LED光源發(fā)光面細小，使陰影區(qū)邊界十 分銳利，當多個陰影區(qū)疊加，在桌面60就形成明顯的重影63，而這種效果容易 造成視覺疲勞。解決的方法是令光源面積增大，目前一般采用在光源與工作區(qū) 之間添加光擴散層的方法，但此舉造成LED出光量嚴重減小。采用中心分光反 射式光學結(jié)構(gòu)能夠有效解決重影的問題。本發(fā)明設(shè)計方法是利用中心分光反射 曲面64令LED發(fā)出的光不能直接照射在工作區(qū)域，又通過中心分光反射曲面與 側(cè)面反射曲面配合,使LED光源在反射面后形成放大的虛像65,從而令有效發(fā) 光面積增大，繼而獲得漸變的陰影過渡66。
權(quán)利要求
1、一種中心分光反射式光學單元，其特征在于所述的光學結(jié)構(gòu)在LED光源的出光光路具有中心分光反射面，中心分光反射曲面位于LED光源出光光軸上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中心分光反射式光學單元，其特征在于該LED 光源(1)出光光路兩的側(cè)邊設(shè)有側(cè)面反射曲面(4),且中心分光反射曲面(3) 與側(cè)面反射曲面(4)之間留有透光區(qū)域(2)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中心分光反射式光學單元，其特征在于該中心 分光反射曲面(3)為向LED光源(1)凸起的曲面，側(cè)面反射曲面(4)與出光 光軸呈一定傾斜角且沿出光光軸往外傾斜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的中心分光反射式光學單元，其特征在于該透光 區(qū)域(2 )填充有一層透明物質(zhì)(42 )。
5、 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的中心分光反射式光學單元，其特征在于該中心 分光反射曲面(3)及側(cè)面反射曲面(4)為在透明物質(zhì)(42)上采用電鍍、真 空蒸鍍、濺射、反射薄片粘貼或表面拋光的方法所形成的具有反射效果的界面。
6、 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的中心分光反射式光學單元，其特征在于該中心 分光反射面(21)為以下曲面中的任何一種平面、3求面、橢球面、雙曲面、 拋物面、錐面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以上所 述曲面中任何一種或兩種以上的面拼-接而成。
7、 沖艮據(jù)權(quán)利要求2所述的中心分光反射式光學單元，其特征在于該側(cè)面 反射曲面(4)為以下曲面中的任何一種平面、J求面、橢J求面、雙曲面、拋物 面、錐面、柱面、曲面方程在二次或二次以上的高次曲面，或者是以上所述曲 面中任何 一 種或兩種以上的面4丼4妄而成。
8、 一種中心分光反射式光學系統(tǒng)，其包括一功能平板及設(shè)于功能平板上并 實現(xiàn)電連接的多個LED光源及位于功能平板上的反射式光學模組，其特征在于 該反射式光學模組由多個權(quán)利要求1所述的反射式光學單元拼接構(gòu)成，且每個反射式光學單元與每個LED光源一一對應(yīng)。
9、 一種中心分光反射式光學系統(tǒng)，其包括一功能平板及設(shè)于功能平板上并 實現(xiàn)電連接的多個LED光源及位于功能平板上的反射式光學模組(30)，其特征 在于該反射式光學模組(30)包括間隔分布的權(quán)利要求1所述的反射式光學 單元及第二反射式光學單元(34 )拼接構(gòu)成，該第二反射式光學單元由設(shè)于LED 光源側(cè)邊的側(cè)面反射曲面構(gòu)成。
10、 一種權(quán)利要求5所述的中心分光反射式光學單元的制作方法，其特征 在于包括以下步驟(1) 將臺體狀的透明物體的上下臺面各挖去一個空腔(54、 51);(2) 將LED光源設(shè)于下臺面的空腔(51)內(nèi)；(3) 在上臺面的空腔(54)表面形成反射面以形成中心分光反射曲面； (4 )在臺體四周側(cè)面形成另一反射面以形成側(cè)面反射曲面。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，公開了一種中心分光反射式光學單元，包括LED光源(1)及反射式光學單元，該反射式光學單元包括設(shè)于LED光源(1)出光光軸上的中心分光反射曲面(3)及設(shè)于LED光源(1)側(cè)邊的側(cè)面反射曲面(4)，且中心分光反射曲面(3)與側(cè)面反射曲面(4)之間留有透光區(qū)域(2)。本發(fā)明還提供了一種中心分光反射式光學系統(tǒng)及中心分光反射式光學單元的制作方法。本發(fā)明能夠大幅度改變光源的角度配光。
文檔編號F21V7/00GK101576231SQ20091003771
公開日2009年11月11日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者冼鈺倫, 昊 吳, 曹鴻燕, 鋼 王, 山 祁 申請人:中山大學