[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101586779A [43]公开日2009年11月25日
[21]申请号200910099552.1[22]申请日2009.06.18
[21]申请号200910099552.1
[71]申请人中国计量学院
地址310018浙江省杭州市下沙高教园区学源街
[72]发明人余桂英 金骥 朱旭平 蒋贤满 [74]专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限公司代理人胡红娟
[51]Int.CI.F21V 7/04 (2006.01)H01L 33/00 (2006.01)F21Y 101/02 (2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 5 页
[54]发明名称
法及应用
[57]摘要
本发明公开了一种基于光学扩展量的LED均匀
性和特定目标平面照明要求的分析，应用非成像光
学中的光学扩展量守恒理论，建立反射器的一般数
所限定的曲线旋转而确定的曲面。使用单一的反射
器即可实现均匀照明，且在目标平面上得到较高的
照度均匀性和能量利用率。本发明均匀照明的反射
器的设计方法可用于要求高均匀照明的系统，如用
于以LED为光源的显微镜照明系统、室内照明、投
影系统等照明系统。不仅可以简化系统的结构还能
增加光能的利用率，而且照度均匀性也得到极大地
提高。因此本发明具有很好的应用前景。
200910099552.1权 利 要 求 书第1/2页 1、一种基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计方法，其特征在于，包括：
(1)以LED光源为原点建立极坐标系，
(2)在LED光源的光束发射的反方向处确定需要照亮的目标区域；
(3)在LED光源的光束发射的正方向处利用如下曲线方程建立反射面曲线，
式中：
r为L E D光源发光面中心与反射面上任一点P之间的距离； θ为LED光源发光面中心发射到所述的反射面上任一点P的光线与LED光源发光面法线的夹角；
θmax为LED光源发光面输出光束的最大发散角；
x0为照明目标平面与L E D光源发光面中心之间的距离； R为目标平面上照明区域的半径；
(4)将反射面曲线绕LED光源发光面中心法线旋转得到所述的基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的反射面。
2、一种基于光学扩展量的LED均匀照明反射器，包括LED光源以及用于将LED光源发射的光线反射至需要照亮的目标平面的反射面，其特征在于：所述的反射面为如下曲线方程所限定的曲线旋转而确定的曲面：
200910099552.1权 利 要 求 书 第2/2页 式中：
r为L E D光源发光面中心与反射面上任一点P之间的距离 θ为LED光源发光面中心发射到所述的反射面上任一点P的光线与LED光源发光面法线的夹角；
θmax为LED光源发光面输出光束的最大发散角；
x0为照明目标平面与L E D光源发光面中心之间的距离； R为目标平面上照明区域的半径；
其中所述的曲面为上述曲线方程确定的曲线通过绕LED光源发光面中心法线旋转而成。
200910099552.1说 明 书第1/8页基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计方法及应用
技术领域
本发明涉及L E D照明技术，特别涉及一种均匀照明反射器的设计方法及采用该设计方法得到的反射器。
背景技术
随着半导体照明技术的发展，L E D作为一种新兴的人造光源，由于其体积小，能耗低，单性好等优
点，已经展现出了极为广阔的应用前景。L E D正逐渐取代传统光源，成为新一代光源。但是，目前L E D尚存在许多不足，单个L E D总光能量较低，且大部分L E D产品都具有大发散角的朗伯分布发光曲线，因此并不能单独用于照明系统中，在大多数应用场合，人们需要附加的光学元件与L E D配合，实现在一定范围内的均匀照明。 现有技术中有公开号为C N1948823A和C N2760613Y的专利文献中提及的二次型反射聚光器与光棒进行匀光。还有如公开号为C N1554983A和C N2891006Y的专利文献中提及的采用反射型复眼或透射型蝇眼进行匀光等手段。
但这些基于传统成像光学原理的方法虽然解决了一定范围内的均匀照明的问题，但由于其自身性质的限制，存在一定的收集角度，因此不能实现L E D光能高利用率的目的，光棒在足够长时匀光效果较好，但是以牺牲光能利用率为代价而浪费能源，同时整个系统比较复杂，而在微型化日益成为趋势的今天，传统照明系统的均匀性局限性也日趋明显。 也有人用非成像光学理论来实现均匀照明的设计，如J.M.Gordon and Ari Rabl利用TEDs(Tailored Edge-ray Device)设计方法，设计轴对称反射器实现远场均匀照明。丁毅等人基于折反射方程和能量守恒建立偏微分方程组，通过数值求解得到用于均匀照明的自由曲面透镜和自由曲面反射
200910099552.1说 明 书 第2/8页器，但是对于旋转对称的反射器设计而言，该方法较为繁琐。
另外随着三维辅助设计的应用越来越多的反射器结构采用方程式来表达，之后通过三维辅助设计在工业
生产中实现，例如中国发明专利200510037129.0中公开了一种背光系统及其反光罩，包括多个光源、一反光罩和一导光板，该导光板包括入光面、连接于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，该光源相对该入光面设置，该反射器具有多个反射单元，该多个反射单元分别收容该多个光源，各反射单元具有两个相对设置的反射面，该两个反射面与该入光面相对且该两个反射面的截面形状在一极坐标中由一特定方程限定。
但现有技术的反射器和导光板结合的结构过于复杂，加工不便，尽管也有采用光学透射装置来解决均匀照明的问题，但光学透射装置会消耗一部分能量，能量利用率很低。
发明内容
本发明根据L E D光源特性和目标平面照度的分布要求，依据非成像光学中的光学扩展量守恒理论，提供了一种均匀照明和结构简洁的反射器的设计方法。
一种基于光学扩展量的L E D均匀照明反射器的设计方法，包括：
(1)以LED光源为原点建立极坐标系，
(2)在L E D光源的光束发射的反方向处确定需要照亮的目标区域；
(3)在L E D光源的光束发射的正方向处利用如下曲线方程建立反射面曲线，
式中：
r为LED光源发光面中心与反射面上任一点P之间的距离；
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