一种多色LED混光的TIR准直透镜

一种多色led混光的tir准直透镜
技术领域
1.本发明涉及led光束准直技术领域，尤其是涉及一种多色led混光的tir准直透镜。


背景技术：

2.发光二极管(light emitting diode，led)具有使用寿命长、污染小和响应时间短等优点，此外，相较于荧光灯传统光源，led具有明显的节能效果，因而被广泛应用于室内外照明、背光灯等众多领域。然而单一led芯片出光为单色光，显色指数不高，为满足人们对光品质的更高追求，目前通常采用在同一基板上混装不同色光led芯片的方式，以提高整个光源的显色指数。
3.此外，考虑到led光源存在有出光角度大的问题，其出光分布呈朗伯光源状，导致远程照射能力弱，所以led光源需要与灯具配合使用。tir(total internal reflection)透镜作为一种常用的led准直器具，可对led光源所发出的光线进行准直以提高其远程照射能力。若将常规的tir透镜直接应用于多色光led芯片，由于芯片的空间位置差异和不同色光的折射率偏差，会导致出射光线和所形成光斑存在颜色分层的问题，即混光效果差。这就使得常规tir透镜不能直接用于准直混装了不同色光芯片的led光源。
4.作为改进，将微结构应用到tir透镜的透射表面，可以在一定程度上改善混光效果，例如，中国专利cn201320673255.5利用散光复眼阵列将来自全内反射透镜的光线进行混合，但这样的微结构使出射光线的准直程度无法保证。散光涂层则是提升混光效果的另一种方法，例如中国专利cn202020472173.4将散光涂层覆盖在led芯片组外的光学透镜前表面，在散光涂层的作用下将三种光色在光学透镜内部混合，然而涂层的应用会导致光学效率的降低。另外，微结构反射表面也可用以提升led混光器件的混光效率，例如，中国专利cn201811641069.7在led芯片组外设置呈凸台状的混光罩，并在该混光罩侧壁的内表面上设置微型反射构件，然而，这样的混光方式不能满足出光的准直需求，这不利于光源的远距离照射能力。
5.综上所述，由于混装了不同色光芯片的led光源具有颜色分层且光线发散角度大的特性，现有led灯具无法很好兼顾地这两个难点。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多色led混光的tir准直透镜，能够同时克服传统多色光led混光效果差和远程照射能力弱的技术缺陷。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多色led混光的tir准直透镜，包括led光源和tir透镜，所述tir透镜非旋转对称，所述tir透镜为碗状结构，所述led光源安装在tir透镜底部的球形凹陷内，所述led光源的基板上设有多个led芯片，所述led光源出射的光线经过tir透镜的光路包括全反射-折射光路和折射-折射光路，所述全反射-折射光路用于实现光源大角度出射光线准直，所述折射-折射光路用于实现光源小角度出射光线的准直。
8.进一步地，所述全反射-折射光路包括tir透镜底部的球形凹陷表面、tir透镜的侧表面和tir透镜顶部边缘位置折射面，所述tir透镜的侧表面用于实现光线全反射，所述tir透镜顶部边缘位置折射面用于实现光线分段折射。
9.进一步地，所述tir透镜的侧表面为旋转对称自由曲面，并根据光源分布情况添加zernike系数，以满足设定的准直需求。
10.进一步地，所述tir透镜的侧表面为非旋转对称自由曲面，并引入zernike系数中的非旋转对称项，以改善混光效果。
11.进一步地，所述折射-折射光路包括tir透镜底部球形凹陷内侧突起的第一折射面和tir透镜顶部中心位置的第二折射面，所述第一折射面用于实现光线的第一次偏折，所述第二折射面用于实现光线的第二次偏折。
12.进一步地，所述第一折射面为自由曲面，以保证准直效果。
13.进一步地，所述第二折射面为非旋转对称自由曲面，并引入zernike系数中的非旋转对称项，使光线沿着周向偏折从而达到led芯片各色光混光的效果。
14.进一步地，所述tir透镜顶部边缘位置折射面和tir透镜顶部中心位置的第二折射面共同组成顶部分段曲面。
15.进一步地，所述多个led芯片具体为不同色光芯片，所述不同色光芯片排布为对称结构。
16.进一步地，所述tir透镜采用pmma或pc塑料材料车削加工制成，或者采用低熔点玻璃压模成形加工制成。
17.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
18.1)混光效果好：常规的led光源tir准直镜出射的光斑形状与光源形状一致，当光源为多led芯片时，此特性会导致各芯片光斑无法融合，出现颜色分层现象。本发明分别设计全反射-折射光路和折射-折射光路，利用折射-折射光路中第一、第二折射面实现光线的两次偏折，通过将第二折射面设置为非旋转对称自由表面，能够在保证准直程度的同时使光斑中可见两种色光颜色分层现象改善并消除，有效提升混光效果，此外，还可将tir准直光路的主要作用表面(即全反射-折射光路中的全反射面)改进为非旋转对称表面，以进一步提升混光效果。
19.2)准直程度高：常规的混光方式所用微结构表面会使光线沿各个方向偏折，会减弱准直程度并难以有效优化，牺牲部分远程照射能力。而本发明在折射-折射光路中采用非旋转对称自由表面设计第二折射面，使光线沿着光轴周向偏折，从而达到不同色光芯片出光兼顾混光效果，其偏折程度受zernike系数数值准确控制，从而方便在优化中保证光线的准直性。此外，第一折射面可设计为自由曲面，以进一步保证准直效果，较于市场上混光tir的10
°
以上半高宽，本发明的混光tir可达到6
°
以内半高宽，即在混光后仍保留更好的远程照射能力。
附图说明
20.图1为一种多色led混光的tir准直透镜结构和光路示意图；
21.图2为实施例中led光源的矩形芯片分布图；
22.图3a为实施例中第一步设计后旋转对称tir所成光斑分析平面的照度分布图(真
色)；
23.图3b为实施例中第二步设计后非旋转对称tir所成光斑分析平面的照度分布图(真色)；
24.图4为实施例在各平面所成光斑的一致性图样；
25.图5为实施例的远场光强剖切图；
26.图中标记说明：1、led光源，2、tir透镜，3、全反射-折射光路，4、折射-折射光路，5、tir透镜底部的球形凹陷表面，6、tir透镜侧表面，7、tir透镜顶部边缘位置折射面，8、第一折射面，9、第二折射面，101/102、led芯片，103/104、光源对称轴，105、zernike系数中非对称项所致面型对称轴。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
28.实施例
29.如图1所示，一种多色led混光的tir准直透镜，包括led光源1和tir透镜2，tir透镜2非旋转对称、呈碗状结构，led光源1安装在tir透镜2底部的球形凹陷内。led光源1的基板上设有多个led芯片，tir透镜2包含两条光路：全反射-折射光路3和折射-折射光路4，其中，全反射-折射光路3包括tir透镜底部的球形凹陷表面5、tir透镜侧表面6和对应的tir透镜顶部边缘位置折射面7，以实现光源大角度出射光线准直，具体的光路过程为：通过tir透镜底部的球形凹陷表面5的光线在tir透镜侧表面6进行全反射，再经过tir透镜顶部边缘位置折射面7出光，由此准直led光源1经过全反射-折射光路3的光线；
30.折射-折射光路4包括tir透镜底部的球形凹陷内侧突起的第一折射球面8和tir透镜顶部中心位置的第二折射面9，以实现光源小角度出射光线的准直，具体的光路过程为：第一折射球面8用以偏折折射-折射光路4的光线，而后，第二折射面9对光线进行第二次偏折，从而使经过折射-折射光路4的光线达到准直效果。
31.tir透镜侧表面6(即全反射面)可采用旋转对称自由曲面，添加zernike系数设计并优化，以作为经过全反射-折射光路3光线的主要准直表面，能够优化该光路光线的准直效果；
32.此外，tir透镜侧表面6可引入zernike系数中的非旋转对称项，以设计为非旋转对称自由曲面并优化，能够进一步改善混光效果；
33.第二折射面9采用非旋转对称自由曲面，以达到混光效果、并结合底部第一折射面8(采用球面)屈光达到准直效果；
34.tir透镜的顶部出光面设计成分段曲面，分别为全反射-折射光路3的tir透镜顶部边缘位置折射面7(即分段折射出光面)和折射-折射光路4的第二折射面9，以配合光路其他表面实现发光芯片全角度出射光线的准直，全反射的tir透镜侧表面6对应的tir透镜顶部边缘位置折射面7采用分段球面设计，能够有效提升照明系统的出光效率。
35.在实际应用中，tir透镜2和自由曲面透镜可采用pmma或pc塑料材料车削实现，或者采用低熔点玻璃压模成形实现。
36.本实施例中，如图2所示，led光源1的基板上设有4个紧凑的led芯片101/102，单个led芯片尺寸为1mm
×
1mm，4个发光led芯片分属两种不同的色光(分别是波长为560nm的红
光芯片和波长为622nm的黄光芯片)，对称式分两组，两种色光和芯片外观均沿光源对称轴103/104呈二分之一对称的规律性排布。此外，led光源1基板上的发光芯片还可采用其它正多边形对称形式紧凑排布，单个led芯片尺寸1～2mm，本实施例中，tir透镜高约27mm、直径约32mm。
37.本实施例设计方法为：第一步将tir设计为旋转对称透镜以保证远程照射能力，第二步将部分曲面优化为非旋转对称面以保证混光效果。图3a和图3b所示为led光源1分别经过第一步和第二步设计tir透镜在光斑分析平面的照度分布图(真色)。图3a为光源出光经过旋转对称tir的光斑照度结果，即完成第一步设计后第二折射面9采用旋转对称自由曲面的tir透镜，由图3a可知，两种色光颜色分层现象明显，图中光斑外形和色光分布与光源一致，色温曲线分别为过光斑中心x向，y向直线上的色温，最大差值约1300k；图3b为光源出光经过非旋转对称tir的光斑照度结果，即第二折射面9以第11项zernike系数为主、第23项系数为辅完成了第二步计算优化的tir透镜，图中光斑外形和色光分布与光源一致的现象有明显改善，色温曲线相同位置色温差值不超过200k，混光效果提升明显。
38.图5所示的远场接收器光强剖切图，用于表征准直效果，半高宽为5.8
°
，10
°
内总能量传递效率约63％，准直效果较好。此外，tir透镜2后可添加不同形状光阑，以实现光斑形状的截止和调整；
39.tir透镜2可阵列设计并使用，从而实现多色光芯片led光源阵列的准直和混光照明；
40.各平行的照度平面所成光斑为不同尺寸的相似光斑，由此可调节灯具在空间中的相对位置，这一优势来源于混光调整后tir出射光线仍为准直光线，如图4所示，表明改变光源的照明距离时无需更换灯具。
41.综上所述，在设计tir透镜2的面形参数和表面位置时，主要包括：
42.1)、利用光线追迹设计并优化全反射-折射光路3中tir透镜侧表面6(即自由曲面全反射面)和折射-折射光路4中第二折射面9(为自由曲面)，并确定全反射-折射光路3中tir透镜顶部边缘位置折射面7(即分段折射出光面)和折射-折射光路4中第一折射面8的曲率半径和位置，其中，自由曲面采用旋转对称自由曲面即可达到准直效果；对于要求体积更小的tir透镜，折射-折射光路4中第一折射面8还可设计成自由曲面，以保证第一步设计中的准直效果。
43.2)、为折射-折射光路4中第二折射面9引入zernike系数中的非旋转对称项，需确定引入的非对称项所致面型对称轴105与光源的对称轴103角度一致(如图2所示)。折射-折射光路4中第二折射面9优化非旋转对称zernike系数，从而在保证准直程度的同时使光斑中可见两种色光颜色分层现象改善并消除。全反射-折射光路3中tir透镜侧表面6可引入zernike系数中的非旋转对称项，设计成非旋转对称自由曲面，以此适用于体积更小的tir透镜，进一步保证第二步设计中的混光效果。
44.本技术方案基于非旋转对称自由曲面的应用，提出了一种多色led混光的tir准直透镜，能够同时克服传统多色光led混光装置的混光效果差和远程照射能力弱的技术缺陷，结构轻巧且实现了一体化，可直接基于有机玻璃采用单点金刚石车削工艺加工或者压模制造出，其适用性优于同类设计构型。