使用非成像光学系统的LED矿灯

摘要

本发明涉及一种使用非成像光学系统的LED矿灯，包括非成像光学系统、外壳部件和照明电路部件，矿灯采用非球面复合透镜和自由曲面反射器构成光学系统，由于使用的复合透镜的凸面和反射器的反射面均是根据配光要求设计的自由曲面，并且靠近光轴的光线和远离光轴的光线分别由复合透镜和自由曲面反射器独立控制，因此可以更加准确地控制照明区域的大小以及照明区域内的照度分布，从而提高光能的利用率，并得到更好的视觉效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以LED作为光源的矿灯，特别涉及一种使用非成像光学系统的LED矿灯。

背景技术

随着大功率LED的光效不断提高，使用LED作为矿灯的光源已成为可能。为了提高光源光能的利用率，以往的设计方案一般采用二次曲面(如抛物面)反射器汇聚光线，或使用二次曲面反射器与球面透镜配合的方式实现光能分配。仅使用二次曲面反射器的方法不能控制靠近光轴的光线的光路，而且简单的二次曲面在很多情况下不能满足配光要求。在使用抛物面反射器与球面透镜配合的方法中，普遍采用在出光孔位置安装透镜的方案，虽然可以控制靠近光轴的光线的光路，但也会使经反射器反射的光线的光路受到影响，导致配光效果不理想。为了获得满意的照明效果，需要设计特殊的光学系统。

发明内容

本发明是针对现有LED矿灯光路控制缺点导致配光效果不理想的问题，提出了一种使用非成像光学系统的LED矿灯，实现了对靠近光轴的和远离光轴的光线的光路的独立控制，一方面使照明区域内照度的分布更加易于调整，另一方面使主光源发出的光可以得到更加有效的利用。

本发明的技术方案为：一种使用非成像光学系统的LED矿灯，包括非成像光学系统、外壳部件和照明电路部件，所述光学系统包括非球面复合透镜、自由曲面反射器，非球面复合透镜位于自由曲面反射器的内部空间中，所述照明电路部件包括主光源、辅助光源和电路板，主光源、辅助光源分别固定在电路板上；电路板和光学系统的非球面复合透镜、自由曲面反射器固定在一起，使电路板上的主光源位于非球面复合透镜的圆柱形空腔内，主光源的光轴与非球面复合透镜和自由曲面反射器的对称轴重合，固定在一起的光学系统和照明电路组件作为一个整体安装在外壳部件中。

所述非球面复合透镜分为凸透镜体和支座两部分，凸透镜体采用平凸透镜形式，内表面为平面，外表面为自由曲面，支座内部为空心的，用于容纳主光源和固定支撑。非球面复合透镜使用玻璃或透明的树脂材料制造。

所述自由曲面反射器表面采用自由曲面，能够对远离光轴的光线的光路进行准确控制，反射器表面采用研磨或镀膜的方法提高反射率。

所述外壳部件包括透明保护平板、上密封圈、下密封圈、套圈以及底座，固定在一起的光学系统和照明电路组件作为一个整体安装在外壳部件中，中间接触面加下密封圈防水密封，自由曲面反射器正上方放上透明保护平板，套圈扣在透明保护平板上，两者之间用上密封圈防水密封，套圈和底座之间采用螺纹连接。

非球面复合透镜具有特殊结构，从功能上可以分为凸透镜体和支座两部分。凸透镜体采用平凸透镜形式，内表面为平面，外表面为自由曲面。支座内部为空心的，用于容纳主光源，支座进一步分为上、下两部分，上部内外表面均为圆柱面，下部具有用于定位和连接的结构。非球面复合透镜的凸透镜体部分，其特征是外表面采用自由曲面，可以根据配光要求进行设计，用于对靠近光轴的光线进行光路控制。非球面复合透镜的圆柱形支座部分一方面具有支撑和连接凸透镜体部分的功能，另一方面允许远离光轴的光线透射，以便使用自由曲面反射器对远离光轴的光线进行光路控制。

光学系统中的反射器，其特征是反射表面采用自由曲面，曲面形状根据配光要求进行设计，能够对远离光轴的光线的光路进行准确控制。

使用上述光学系统的LED矿灯的特征是，通过将非球面复合透镜置于自由曲面反射器的内部空间中，使经过反射器反射后的光线不会再受到复合透镜的作用。从而实现对靠近光轴的光线和远离光轴的光线的光路相对独立的控制。

本发明的有益效果在于：使用非成像光学系统的LED矿灯，由于复合透镜的凸面和反射器的反射面均是根据配光要求设计的自由曲面，并且靠近光轴的光线和远离光轴的光线分别由复合透镜和自由曲面反射器独立控制，因此可以更加准确地控制照明区域的大小以及照明区域内的照度分布，从而提高光能的利用率，并得到更好的视觉效果。

附图说明

图1是本发明使用非成像光学系统的LED矿灯结构示意图。

具体实施方式

如图1所示使用非成像光学系统的LED矿灯结构示意图，使用非成像光学系统的LED矿灯由非成像光学系统、外壳部件和照明电路部件组成。其中，非成像光学系统包括非球面复合透镜4、自由曲面反射器5和基座11，非球面复合透镜4位于自由曲面反射器5的内部空间中，非球面复合透镜4、自由曲面反射器5分别定为固定在基座11上；照明电路部件包括大功率LED主光源2、辅助光源3和电路板1，大功率LED主光源2、辅助光源3分别焊接固定在电路板1上；电路板1位于基座11下面和基座11连接固定在一起，使电路板1上的主光源2位于非球面复合透镜4的圆柱形空腔内，主光源2的光轴与非球面复合透镜4和自由曲面反射器5的对称轴重合，并且使主光源2、非球面复合透镜4和自由曲面反射器5相互之间沿轴线方向具有足够的位置精度。也可以将自由曲面反射器的底部做成定位连接结构，直接把主光源电路板和复合透镜固定在自由曲面反射器的底部。

外壳部件包括透明保护平板6、上密封圈7、下密封圈9、套圈8以及底座10。将固定在一起的光学系统和照明电路组件作为一个整体安装在外壳部件中，中间接触面加下密封圈9密封，这样，在安装和使用过程中光源2、复合透镜4和自由曲面反射器5之间的相对位置不会发生变化，确保在照明区域中得到与设计效果一致的、稳定的照度分布。自由曲面反射器5正上方放上透明保护平板6，套圈8扣在透明保护平板6上，两者之间用上密封圈7密封，最后套圈和底座之间可以采用螺纹连接，结构上保证了防水密封的功效。

非球面透镜4分为凸透镜体和支座两部分，凸透镜体采用平凸透镜形式，内表面为平面，外表面为自由曲面。支座内部为空心的，用于容纳主光源，支座进一步分为上、下两部分，上部内外表面均为圆柱面，下部具有用于定位和连接的结构。可以使用玻璃或透明的树脂材料制造：1)使用玻璃材料时，可采用浇注和研磨的方法加工。2)使用透明的树脂材料时，采用注塑的方法加工。

自由曲面反射器5表面采用自由曲面，可以使用不同的方法制造：1)使用塑料注塑成型，反射表面镀膜以提高反射率。2)使用金属材料冲压成型，反射表面采用研磨或镀膜的方法提高反射率。

基座11可以使用金属或非金属材料制造。当使用金属材料制造时，可以通过导热元件与光源的散热部件连接，起到散热作用。

上述的LED矿灯所使用大功率LED光源可以具有一次光学系统，也可以没有一次光学系统。当使用具有一次光学系统的LED时，将辅助光源3置于复合透镜4的外部(如附图所示)；当使用没有一次光学系统的LED时，可以将辅助光源和主光源均放置于复合透镜4的空腔中，主光源的光轴与复合透镜4和自由曲面反射器5的对称轴重合，一个或数个辅助光源置于主光源的周围。