专利摘要

本发明公开了一种实现LED光源最小输出光束角的装置及其方法，本装置包括复合抛物面聚光器、封装的LED光源，LED光源和复合抛物面聚光器位于同一条中心线上，LED光源与复合抛物面聚光器的入口端面位于同一平面上；LED光源发出的光分为两部分：一部分是经过CPC反射的部分；另一部分是未经CPC反射的部分。两者中光束角较大的就决定着从CPC出来的光束角的大小。然后通过计算和数据分析找出输出光束角最小时CPC的参数设置并由此制造出输出光束角最小的复合抛物面聚光器。本发明适用于各种照明、投影系统，LED光源输出光束角最小使得投影照明的效果更佳理想。

说明书

技术领域

本发明涉及复合抛物面聚光器领域，具体涉及一种实现LED光源最小输出光束角的装置及其方法。

背景技术

随着大功率LED技术的不断成熟，它已在车灯照明、道路照明和舞台照明领域开始应用。由于大功率LED的发光角度和发光面积都比较大，要使其应用于照明或投影，首先要对其进行二次光学设计。大功率LED可划分为无封装透镜型和有封装透镜型两种。对于无封装透镜型LED可借鉴Welford的理论；而对于有封装透镜型LED则不适用。

复合抛物面聚光器(CPC)开始主要应用在太阳能聚光领域。根据光路可逆原理，它同样适用于针对扩展光源的聚光领域。现有的复合抛物面设计理论难以实现对加封装透镜型LED的光束角进行随意控制。对于一个投影成像系统来讲，如果聚光后的光束角的太大将会直接影响到系统的出光效率和轴外像差的校正难度；所以使得LED输出光束角最小是有其实际意义的。

发明内容

本发明针对LED光源聚光后光束角太大及难以随意控制的不足，提出一种实现LED光源最小输出光束角的装置，该装置能够使得LED光源输出的光束角最小，从而达到投影照明效果更好。

其技术方案如下：

一种实现LED光源最小输出光束角的装置，包括复合抛物面聚光器、封装的LED光源，所述LED光源和复合抛物面聚光器位于同一条中心线上，LED光源与复合抛物面聚光器的入口端面位于同一平面上；其特征在于所述复合抛物面聚光器的焦距f为 复合抛物面聚光器的L长度为

L=4fcosφ-(a′+q)sin2φ-4f2-(a′+q)fsinφ1-cos2φ,(0<φ<arcsin(fa′+q))(a′+q)24f,(φ=0);]]>

式中：a′为复合抛物面聚光器的出口半径，封装的LED光源的半径为d，LED光源封装前的最大半径为q；φ为由LED光源发出经复合抛物面聚光器反射的光线与中心线的最大夹角。

所述复合抛物面聚光器为反光杯。

所述封装的LED光源为大功率LED光源。

本发明的又一目的在于提供了一种实现LED光源最小输出光束角的方法，采用本法可以控制LED光源输出的光束角的大小，从而克服LED光源聚光后光束角难控制的不足。

从LED光源出来的光分为两部分：一部分是经过CPC反射的部分；另一部分是未经CPC反射的部分，从CPC出来的光束的角度由这两部分光束的角度决定。经过反射后的那部分光线的夹角为φ，未经CPC反射的部分光线的夹角为β。通过探讨φ和β的大小，两者中较大的决定从CPC出来的光束角的大小。依据边缘光线原理，下述方法只需考虑从LED光源边缘发出的光线即可。

一种实现LED光源最小输出光束角的方法，包括以下步骤：

1)确定复合抛物面聚光器的出口半径a′，入口半径a；

2)选择LED光源，确定封装LED光源的半径为d，LED光源封装前的半径q；

3)代入公式(1)、(2)、(3)、(4)中：

f=12(d+q)(1+sinφ)---(1)]]>

L=4fcosφ-(a′+q)sin2φ-4f2-(a′+q)fsinφ1-cos2φ,(0<φ<arcsin(fa′+q))(a′+q)24f,(φ=0)---(2)]]>

β=arctan(a′+qL)---(3)]]>

k=arctan(a′+aL)---(4)]]>

式中：f为复合抛物面聚光器的焦距；L为复合抛物面聚光器的长度；φ为由LED光源发出并经复合抛物面聚光器反射的光线与中心线的最大夹角；β为由LED光源发出且未经复合抛物面聚光器反射的光线与中心线的最大夹角；k为保证反射光线在复合抛物面聚光器内只发生一次反射，必须满足φ＜k；

计算后得到{φ_i}、{L_i}、{k_i}和{β_i}四组数据；

4)根据{φ_i}、{L_i}、{k_i}和{β_i}四组数据绘图，当满足φ_i＜k_i时，{β_i}和{φ_i}二者当中较大的数组中的最小值就是最小输出光束角。

所述φ_i大于等于0。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为由LED光源发出并经复合抛物面聚光器反射的光线与中心线的最大夹角φ。

图3为由LED光源发出且未经复合抛物面聚光器反射的光线与中心线的最大夹角β。

图4为LED光源与CPC结构参数。

图5为根据实施例绘制的{φ_i}、{L_i}、{k_i}和{β_i}关系图。

具体实施方式

如图1所示，一种实现LED光源最小输出光束角的装置包括复合抛物面聚光器1、封装的LED光源2，所述LED光源2和复合抛物面聚光器1位于同一条中心线上，LED光源2与复合抛物面聚光器1的入口端面位于同一平面上。

以φ变量，对其进行试探性等间隔采样取值。φ的下限为0，上限为足够大的有限值；如图2所示，φ为由LED光源2发出并经复合抛物面聚光器1反射的光线与中心线的最大夹角。如图3所示，β为由LED光源2发出且未经复合抛物面聚光器反射1的光线与中心线的最大夹角。由图4中已知复合抛物面聚光器1的出口半径a′，入口半径a；封装LED光源2的半径为d，LED光源2封装前的最大半径q；结合(1)、(2)、(3)和(4)式进行计算。

f=12(d+q)(1+sinφ)---(1);]]>

L=4fcosφ-(a′+q)sin2φ-4f2-(a′+q)fsinφ1-cos2φ,(0<φ<arcsin(fa′+q))(a′+q)24f,(φ=0)---(2)]]>

β=arctan(a′+qL)---(3)]]>

k=arctan(a′+aL)---(4)]]>

从计算结果中，会得出四组离散的数据，且他们之间是一一对应的关系。这四组数据分别为{φ_i}、{L_i}、{k_i}和{β_i}。其中{φ_i}、{k_i}和{β_i}的量纲是弧度并把其作为纵坐标。{L_i}的量纲是长度并作为横坐标。从而可以根据数据组{φ_i}、{L_i}、{k_i}和{β_i}画出图，在图中便可以找到最小输出光束角所在的位置。

当实际要求CPC的出口半径a′＝10mm，LED光源选取Cree公司的XLamp XM-L，LED光源2封装前的最大半径q＝1.414mm，封装的LED光源2半径d＝2.2mm。根据(1)、(2)、(3)和(4)式的计算结果可以画出图5，从图5中我们可以看出φ＜k，在截止位置之前始终成立。同时β＞φ也始终成立。那么从复合抛物面聚光器反射1出来后的光束角由β决定。从图5中可知β在截止位置处取得最小值。在截止位置之后L的数据中带虚部，说明表达式L中根号下的式子小于零，那么利用表达式L中根号下的式子为零以及(1)式便可求出f＝2.14688，φ＝0.189217(转化为角度等于10.84度)。把f和φ带入(2)式可求出L＝59.3344mm。把L带入(3)式可求出β＝0.19(转化为角度等于10.886度)。则β为10.886度为本装置输出的最小光束角。根据数据f，φ，q，L在TracePro中进行仿真，可以发现经本发明的装置与方法获得LED光束仿真的效果更优，出光效率更高。

一种实现LED光源最小输出光束角的装置及其方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。