本發(fā)明涉及照明領(lǐng)域，尤其涉及一種基于折衍混合的led照明系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

led芯片光源與傳統(tǒng)光源相比較，具有高節(jié)能、壽命長、利環(huán)保、體積小、亮度高等突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著單個(gè)led光通量的不斷提高，其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越受到青睞。

由于led與傳統(tǒng)光源存在著一定的差異，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮led光源的優(yōu)勢(shì)。

因此，為提高整個(gè)照明系統(tǒng)的性能，需針對(duì)led芯片進(jìn)行一次、二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

目前，一次光學(xué)設(shè)計(jì)一般都是將一次透鏡與led芯片粘合成一個(gè)整體，led光源也主要是封裝在平面基板上。此時(shí)，led芯片最大發(fā)光角度是180度，而且led芯片還會(huì)存在一些雜散光。通過一次透鏡后，led芯片發(fā)出的光雖能實(shí)現(xiàn)一定程度的會(huì)聚，但這并不能充分利用光能，為此，在使用led光源時(shí)往往還會(huì)再配置一個(gè)反光杯。盡管如此，在照明面上還是無法實(shí)現(xiàn)均勻照明，故需要再次進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。二次光學(xué)設(shè)計(jì)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了照明面上的均勻照明，但這卻犧牲了led在尺寸和亮度方面的優(yōu)勢(shì)。

如何保證在照明面上實(shí)現(xiàn)均勻照明的同時(shí)，使led照明系統(tǒng)具有照明效率高、設(shè)計(jì)簡單靈活、結(jié)構(gòu)輕巧緊湊、易于加工制造的特點(diǎn)是目前需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述問題，提供了一種基于折衍混合的led照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)照明面上的均勻照明，而且該系統(tǒng)具有照明效率高、設(shè)計(jì)簡單靈活、結(jié)構(gòu)輕巧緊湊、易于加工制造的特點(diǎn)。

基于折衍混合的led照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括導(dǎo)熱性能高的曲面基板、led芯片、高折射率凸透鏡和衍射光學(xué)元件。

折衍混合的led照明系統(tǒng)中的led芯片是直接貼裝在導(dǎo)熱性能高的曲面基板上的。導(dǎo)熱性能高的基板不僅能夠解決led芯片的散熱問題，而且還能夠起到反光杯的作用，提高了系統(tǒng)的能量利用率。

折衍混合的led照明系統(tǒng)中的高折射率凸透鏡，高效地收集了led芯片發(fā)出的所有光線，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以特定的出光角度出射光線，保證了整個(gè)照明系統(tǒng)的高效照明。

折衍混合的led照明系統(tǒng)中的衍射光學(xué)元件是實(shí)現(xiàn)均勻照明的關(guān)鍵。衍射光學(xué)元件具有體積小、重量輕、易復(fù)制、高衍射效率、更多的設(shè)計(jì)自由度、寬廣的材料可選擇性等特點(diǎn)。所以將衍射光學(xué)元件應(yīng)用在折衍混合的led照明系統(tǒng)中，不僅設(shè)計(jì)簡單、可實(shí)現(xiàn)均勻照明，而且也保證了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輕巧緊湊。

折衍混合的led照明系統(tǒng)中的衍射元件設(shè)計(jì)自由靈活，因而可根據(jù)特殊的照明要求實(shí)現(xiàn)特定的照明效果。這使得折衍混合的led照明系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更為廣闊。

折衍混合的led照明系統(tǒng)的組合，只需先將導(dǎo)熱性能高的曲面基板、led芯片和高折射率凸透鏡根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并封裝為一個(gè)整體，再將設(shè)計(jì)完成的衍射光學(xué)元件組裝上即可。

本發(fā)明的有益效果：

1、系統(tǒng)照明均勻；

2、照明效率高；

3、設(shè)計(jì)簡單靈活；

4、結(jié)構(gòu)輕巧緊湊；

5、可根據(jù)照明效果設(shè)計(jì)衍射元件，適用范圍廣。

附圖說明

圖1單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)的沿對(duì)稱軸的剖視圖；

圖3單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)在衍射元件前的光強(qiáng)分布曲線；

圖4單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均勻照明時(shí)照明面上的光強(qiáng)分布曲線；

圖5條形區(qū)域內(nèi)的4個(gè)芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1、2所示，單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)，包括導(dǎo)熱性能高的曲面基板1、led芯片2、高折射率凸透鏡3和衍射光學(xué)元件4。貼裝在導(dǎo)熱性能高的曲面基板上的led芯片發(fā)出的光經(jīng)透鏡折射，部分光經(jīng)曲面基板的反射，入射到衍射光學(xué)元件，最終在照明面上實(shí) 現(xiàn)了均勻的光強(qiáng)分布。衍射光學(xué)元件通過對(duì)入射光波的相位調(diào)制，改變光波的傳播方向、振幅、相位和偏振態(tài)，可控制光的傳播方向，提高照明亮度，實(shí)現(xiàn)高效照明和光強(qiáng)在照明面上的均勻分布。

如圖3所示，單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)在衍射元件前的光強(qiáng)分布曲線近似為朗伯光源面的光強(qiáng)分布曲線。故該系統(tǒng)在不存在衍射光學(xué)元件的情況下，可看作朗伯光源，則在θ角方向光強(qiáng)為

iθ＝i0cosθ(1)

式中i0為朗伯光源法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度，θ為該發(fā)光面的法線與所指定的方向的夾角，此時(shí)在照明面上的光強(qiáng)分布不均勻。

如圖4所示，單芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均勻照明時(shí)照明面上的光強(qiáng)分布曲線呈近平頂分布，可見，衍射元件實(shí)現(xiàn)均勻照明的效果明顯，照明面上的光強(qiáng)分布可視作均勻。

衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)是在已知光學(xué)系統(tǒng)輸入面光場復(fù)振幅分布|f(x，y)|的情況下，計(jì)算衍射光學(xué)元件的相位分布以正確調(diào)制入射光場，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的照明面光場復(fù)振幅分布|u(x′，y′)|。

但大多數(shù)情況下，無法直接求出衍射光學(xué)元件相位分布的解析解，故利用數(shù)值優(yōu)化算法尋求在某種范數(shù)下的最優(yōu)解。在某種光學(xué)功能下(范數(shù)已知)，該范數(shù)下的實(shí)際照明面復(fù)振幅分布與理想情況的差為

最小時(shí)的即為衍射光學(xué)元件相位分布。

用gs算法確定的具體步驟：

第一步：任意給定一初始相位分布與入射光場復(fù)振幅分布|f(x，y)|構(gòu)成入射波函數(shù)f(x，y)；

第二步：對(duì)f(x，y)作傅里葉變換得g(u，v)；

第三步：照明面上預(yù)期得到的振幅分布為|u(x′，y′)|，作傅里葉變換得|u(u，v)|；

第四步：用g(u，v)的相位部分與|u(u，v)|構(gòu)成函數(shù)g′(u，v)；

第五步：對(duì)g′(u，v)作傅里葉逆變換得到下一步迭代波函數(shù)f′(x，y)。

重復(fù)以上步驟直至均方誤差sse小于預(yù)先規(guī)定的指標(biāo)ε，

此時(shí)，最小，衍射光學(xué)元件相位分布為

如圖5所示，為條形區(qū)域內(nèi)的4個(gè)芯片折衍混合的led照明系統(tǒng)。導(dǎo)熱性能高的基板是曲面的，可根據(jù)照明要求先對(duì)基板的曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)，再將led芯片和凸透鏡與曲面基板組合，最后組裝上設(shè)計(jì)完成的衍射元件。整個(gè)設(shè)計(jì)過程簡單靈活，加工制造時(shí)也方便快捷。

此處只是簡單的應(yīng)用，折衍混合的led照明系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于路燈、隧道燈、臺(tái)燈等照明設(shè)計(jì)中。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，使得led照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為輕巧緊湊、設(shè)計(jì)更加簡單靈活并且系統(tǒng)的照明效率更高，加工制造也更容易，適用范圍更廣。