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LED照明裝置中的光學透鏡

2016-05-18 04:47:26
電子制作 2016年18期
關(guān)鍵詞:棱柱光束透鏡

LED照明裝置中的光學透鏡

史敏峰 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心

光學透鏡是LED照明裝置中的重要元件之一,其對出射光線的配光圖案有重要影響,也是影響整個照明裝置的照明效果的重要因素之一。本文按照構(gòu)型對光學透鏡進行了分類介紹,以期讀者對于光學透鏡具有更多的了解。

LED;照明;光學透鏡

1.LED照明裝置

LED由于其低功耗、高發(fā)光效率、長壽命等特點,在照明領(lǐng)域中具有越來越廣泛的應(yīng)用,逐步滲透到了各個行業(yè)領(lǐng)域,尤其在近幾年國家節(jié)能減排的倡導(dǎo)下,更有了飛速的發(fā)展。LED照明裝置通常有LED芯片,覆蓋該芯片的反光杯和/或光學透鏡組成。根據(jù)不同的使用環(huán)境下不同的照明需求,除了對LED的亮度、色溫的特定配置外,對反光杯和/或光學透鏡的光學設(shè)計也是很關(guān)鍵的因素,通過合理的優(yōu)化設(shè)計,可以使得出射光束獲得相應(yīng)的配光效果。相對于反光杯,光學透鏡的光路更為復(fù)雜,其設(shè)計也相對更多變、靈活,通過不同的光學透鏡設(shè)計,能夠滿足不同的照明需求,本文將對具有不同配光效果的一些LED用光學透鏡進行介紹。[1]

2.光學透鏡

LED芯片本身的體積很小,發(fā)光角較大,如果直接用來照明,其光強分布則大致呈正態(tài)分布,即所形成的光斑的中心部光強大、亮度高,邊緣部光強小、亮度低,這樣的照明效果在很多場合是無法滿足使用需求的。因此在使用時,為了達到預(yù)期的照明效果,通常會配合光學透鏡來對出射光進行調(diào)制。光學透鏡,是指設(shè)置在光源的出光方向上的、對通過其的光束進行約束、改變的光學元件。通過光學透鏡的使用,能夠豐富LED光源的照明效果,滿足不同的使用需求。從光學透鏡的構(gòu)型上大致包括以下類型:

(1)棱柱型

圖1

圖1為一種典型的棱柱型光學透鏡,其設(shè)置在LED110的正上方具有多個棱柱組成的光學透鏡130,借助相鄰的棱柱面上的連續(xù)反射,該光學透鏡通過全內(nèi)反射使光線在發(fā)光軸CL從LED光源射出。這樣,由于光線在光學透鏡的周邊射出,明亮的中心點將會被消除或減弱。其他形式的棱柱型光學透鏡例如還包括多個棱柱平行排列、彎曲排列等等。

(2)非連續(xù)表面型

這一類型的光學透鏡,其出射和/或入射表面為非連續(xù)的結(jié)構(gòu)化表面,例如菲涅爾型表面。圖2中的標記3所指為常見的一種非連續(xù)表面型光學透鏡,其中心部分為球面透鏡,邊緣部分則進行了菲涅爾結(jié)構(gòu)化,通過對光線的折、反射,使得相同口徑下光學透鏡的聚光力得到提升,出射光的方向性更好,并且整個裝置能夠薄化。

圖2

(3)非對稱型

非對稱型透鏡,能夠消除不需要的方向上的照明而使得出射光偏向某一方向,提升照明光通量的利用率。如圖3所示,這種類型的光學透鏡通過偏置的、非對稱分布的光學透鏡,使得光的出射方向偏轉(zhuǎn),使得照明區(qū)域主要分布在發(fā)光元件光軸一側(cè),尤其適合于需要將光束偏轉(zhuǎn)照射的場合,例如路燈、洗墻燈等。

圖3

(4)球型透鏡

這類型的光學透鏡通常為中心軸對稱形狀,透鏡出射面為可以為旋轉(zhuǎn)對稱的圓弧面,通過合適的參數(shù)優(yōu)化,能夠?qū)崿F(xiàn)等光強出射,尤其適合點光源的配光。這一類型的光學透鏡設(shè)計方法相對直觀,計算簡便,設(shè)計目標角度選擇余地較大,在航標燈、交通燈等信號指示燈或室內(nèi)照明等需要實現(xiàn)均勻光強分布領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。另外,如果將光出射面設(shè)置為不連續(xù)的曲面,還可實現(xiàn)多區(qū)域的照明效果。

(5)微透鏡陣列型

由于單個LED功率上的不足,常規(guī)的照明裝置都采用多個LED。而多個LED由于空間上不可避免的間隔分布,容易造成照明時出射光的不均勻,甚至可能形成較為顯著的明暗變化的配光圖案,這在道路照明中尤為不利的。圖4所示是一種微透鏡陣列型光學透鏡,其以二維的形式布置在光學透鏡的內(nèi)表面上,能夠改善LED數(shù)量較多的發(fā)光裝置的發(fā)光強度分布,提供照度均勻的照明效果。

圖4

(6)圓柱型

現(xiàn)代的室內(nèi)裝修中,人們對LED燈具提出了越來越高的要求,LED燈具不再簡單地作為一種照明用具,而是希望LED燈具所發(fā)出的光構(gòu)成的圖案能是一件藝術(shù)品,為此,將LED芯片發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換成接近于平行光束射出也成為了常見的需求之一。圖5所示的是一種圓柱型的光學透鏡,其通過橫置于LED之上,能夠?qū)⒔泣c狀光源的LED所發(fā)出的光以接近于平行線狀的光束射出。另外,這樣的將點光源轉(zhuǎn)換為線狀光束出射的光學透鏡在其他領(lǐng)域中也多有應(yīng)用,例如常見的條碼掃描裝置。

圖5

3.結(jié)束語

光學透鏡作為LED照明裝置的一個重要部件,在整個系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用?;诓煌氖褂铆h(huán)境,具有不同的設(shè)計方式。筆者以構(gòu)型為出發(fā)點,對光學透鏡進行了簡要的介紹、分析。在實際使用中,很可能單一的光學透鏡無法滿足使用需求,多種光學透鏡的復(fù)合使用也是常見的做法,但作用原理與單光學透鏡相同,都是通過對光束的折射來將光束約束至預(yù)定方向或形成預(yù)定圖案。

[1]劉全恩.電視技術(shù)[J].LED原理、術(shù)語、性能及應(yīng)用,2012,36(24):46-53.

史敏峰(1978—),男,碩士,審查員,主要從事光學領(lǐng)域的發(fā)明專利審查。

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