《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》是復旦大學於2013年9月10日申請的專利，該專利的公布號為CN103471036A，授權公布日為2013年12月25日，發明人是葛愛明、蔡金林、邱鵬、王俊偉。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》屬於光學技術領域，具體為一種理論無損光效的LED光全反射的準直系統。該準直系統由光源白光LED模組、改進的橢球面反射器、改進的第一拋物面反射器、改進的第二拋物面反射器組成；光源幾何中心置於橢球面反射器的第一焦點處，第一拋物面反射器位於橢球面反射器上方，第二拋物面反射器位於改進的第一拋物面反射器的上方；由光源出射的一部分角內光束經過橢球面反射器會聚到其第二焦點處，再經第一拋物面反射器準直出射，光源出射的另一部分角內光束經過第二拋物面反射器準直出射，第一拋物面反射器和第二拋物面反射器的出射光束的主光軸平行，且同時平行於光源的主光線，形成理論無損效率的高效LED光全反射的準直系統。
2020年7月14日，《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種理論無損光效的LED光全反射準直系統
- 申請人：復旦大學
- 申請日：2013年9月10日
- 申請號：2013104091359
- 公布日：2013年12月25日
- 公布號：CN103471036A
- 發明人：葛愛明、蔡金林、邱鵬、王俊偉
- 地址：上海市楊浦區邯鄲路220號
- Int. Cl.：F21V7/09(2006.01)I、F21Y101/02(2006.01)N
- 代理機構：上海正旦專利代理有限公司
- 代理人：陸飛、盛志范
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2013年前市場上出現的LED光源多是近朗伯體發光的近似點光源或面光源，具有單面發光、發光半角大的特點。為了便於光學系統對LED光能的利用，一般需要對LED的出射光線進行預準直，而2013年前針對LED光源的光學準直系統主要可分為三大類結構：第一類利用光學透鏡組對LED光源中心附近出射光線進行準直，而大角度光線散失；第二類是TIR（全內反射）透鏡，利用計算得到的自由曲面透鏡對中心光線兩次折射進行準直，對邊緣大角度出射的光線先通過透鏡內的全內反射，再經過透鏡表面的第二次折射進行準直；第三類結合了光學透鏡和光學反射器，對大角度出射的光線利用反射器進行反射準直，對中心出射的光線利用透鏡組透射準直。
針對LED光線的光學準直系統存在如下主要問題：1、對LED光源中心出射光線的準直離不開透鏡，但是透鏡對光能量的損耗一般高於反射器對光能的損耗，這就限制了此類光學準直系統效率提升的空間；2、由於LED發光半角大的特點，此類光學準直系統往往不能完全收集出射光線，使得一部分光線散失，導致了光能的損耗。
發明內容
專利目的
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統享朵嘗》的目的在於提供一種基於LED光源的理論無損光效的光全反射光學準直系統。
技術方案
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》提供的理論無損光效的LED光全反射光學準直系統，是使用單科或多顆高功率白光LED模組作為光源，通過改進的橢球面反射器，改進的第一拋物面反射器和改進的第二拋物面反射器實現光線理論100%效率的收集並對所有光線進行準直。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》提供的基於LED光源的理論無損光效的光全反射光學準直系統，包括：白光LED模組、改進的橢球面反射器、改進的第一拋物面反射器和改進的第二拋物面反射器；其中，所述白光LED模組幾何中心位於改進的橢球面反射器的第一焦點處；所述改進的第一拋物面反射器位於改進的橢球面反射器左上方，且改進的第一拋物面反射器的焦點與改進的橢球面反射器的第二焦點重合；所述改進的第二拋物面反射器位於改進的第一拋物面反射器的上方，且改進的第二拋物面反射器的焦點與LED光源幾何中心位置重合；由LED光源出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器會聚到其第二焦點處，再經改進的第一拋物面反射器準直出射，由LED光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器準直出射，改進的第一拋物面反射器和改進的第二拋物面反射器的出射光束的主光軸平行，且同時平行於LED光源的主光線， 以保證經它們反射後的光線按同一水平方向準直出射。0<α<180，0<β<180，且α+β=180。
一般LED是朗伯輻射體分布的光源，經過LED發光面幾何中心法線的子午面（紙面內）內的發光角度是180度，《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》的LED光源模組發出的光束，在其面內有一部分光先經過改進的橢球面反射器，光束會聚到改進的橢球面第二焦點處組頁，由於改進的橢球面反射器第二焦點與漿達旋改進的第一拋物面焦點重合，這部分光經過改進的第一拋物面準直出射，這個角度就是α角；另外一部分光束沒有經過改進的橢球面反射器，由LED光源模刪嚷良組直接入射到改進的第二拋物面表面，由於LED光源模組的幾何中心與第二拋物面焦點重合，這部分光就經過改進的第二拋物面準直出射，這個角度就是β角。
LED光源是一組模組光源，發光面積有一定的大小，如果其發光面積大小小於其光ED光源是一組模組光源，發光面積有一定的大小，如果其發光面積大小小於其光傳播過程中反射面有效通光孔徑的1/10，可以認為LED光源近似為點光源，這時的橢球面反射器的反射面就是標準的橢球面，第一拋物面反射府拒檔重器和戶和遷第二拋物面反射器的反射面就是標準的拋物面；如果其發光面積大小大於其光傳播過程中反射面有效通光阿腳章和孔徑的1/10，LED光源就是一個擴展的光源，這時把擴展的LED光源認為是多個點光源組成的光源，LED光源只有位於焦點處的那部分光束才按照理想的光束傳播，也就是從橢球面第一焦點的發出的光束經橢球面反射會聚到橢球面的第二焦點，從拋物面焦點處發出的光束經拋物面反射準直出射，組成擴展的LED光源的其它點光源由於處於離焦位置，對於從橢球面第一焦點附近的出射光束經橢球面反射就不會會聚到第二焦點處，對於從拋物面焦點附近的出射光束經拋物面反射就不會準直出射。
所以，對於擴展的LED光源，認為是多個點光源組成的光源，處於焦點以外的點光源經過橢球面反射時，把橢球面分成多個區域，按照光映射的原理，讓入射到每個橢球面反射區域的光束，經過高次曲面的修正，會聚到橢球面的第二焦點處，把這些修正後的橢球面反射區域擬合為一個新的橢球面，這就是改進的橢球面；經過改進的橢球面反射器會聚到第二焦點處的光斑也不是絕對的點光源，是一個擴展光源，也可以認為是多個點光源組成的光源，由於改進的橢球面第二焦點幾何中心與第一拋物面焦點重合，在該焦點以外的點光源經過第一拋物面反射時，把第一拋物面也分成多個區域，按照光映射的原理，讓入射到每個第一拋物面反射區域的光束，經過高次曲面的修正後準直出射，把這些修正後的第一拋物面反射區域擬合為一個新的第一拋物面，這就是改進的第一拋物面；由於擴展的LED光源認為是多個點光源組成的光源，處於焦點以外的點光源經過第二拋物面反射時，把第二拋物面分成多個區域，按照光映射的原理，讓入射到每個第二拋物面反射區域的光束，經過高次曲面的修正後準直出射，把這些修正後的第二拋物面反射區域擬合為一個新的第二拋物面，這就是改進的第二拋物面，
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的白光LED模組為單晶片或多晶片COB封裝的白光LED，多晶片封裝發光面尺寸為A×A或A×B，其中0.5毫米≤A≤20毫米，0.5毫米≤B≤20毫米，A≠B，發光面積對角線為系統最大通光口徑的1/10或更小，白光LED光源模組的發光面法線垂直於改進的橢球面反射器長軸。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的橢球面反射器以靠近的長軸端點為起點的第一焦點的位置大於5毫米，第二焦點的位置大於等於10毫米，長軸方向長度與第二焦點的位置長度相當，內表面採用高反射率鏡面鍍膜，反射率達到95%以上。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第一拋物面反射器焦距與白光LED發光面大小相匹配，通光有效口徑大於等於白光LED發光面對角線的10倍，反射器的長度與其焦距相當，對於單顆晶片封裝的白光LED，通常焦距為5-30毫米，反射器長度與焦點的位置長度相當，口徑為10-60毫米，或根據結構要求為較大；多晶片封裝的白光LED較單晶片封裝的白光LED的改進的第一拋物面反射器的結構稍大。（這裡“相當”是“相等”的意思）
改進的橢球面反射器中，焦點的位置長度：以靠近光源所在位置（改進的橢球面第一焦點）的橢球面長軸端點為起點，到改進的橢球面第二焦點的距離，稱為第二焦點的位置長度；
改進的第一拋物面反射器，“焦點的位置長度”，指的是拋物面頂點到拋物面焦點的距離，實際上也是拋物面的焦距，也可以稱為為“焦距的大小”。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第二拋物面反射器結構參數與改進的橢球面反射器和改進的第一拋物面反射器結構大小相匹配，焦距大於等於8毫米，反射器長度大於等於15毫米，通光有效口徑大於40毫米。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的橢球面反射器（2）是基於標準橢球面反射器設計而成，當LED光源近似看作點光源時，該反射器採用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器採用改進後的橢球面反射器（2）以保證白光LED模組（1）面光源出射的光線能夠會聚到其第二焦點附近形成彌散斑較小的光斑。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第一拋物面反射器（3）是基於標準的拋物面反射器設計而成，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑為系統最大通光口徑的1/10或更小時，該反射器（3）採用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑大於系統最大通光口徑的1/10時，該反射器採用改進的第一拋物面反射器（3）結構，以保證由白光LED模組（1）出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處形成彌散斑的光斑做為改進的第一拋物面反射器（3）焦點處的近似點光源，再經其表面反射後準直出射。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第二拋物面反射器（4）是基於標準的拋物面反射器設計而成，在LED光源近似看作點光源時，採用標準的拋物面結構；在白光LED模組（1）光源為一擴展光源時，採用改進的第二拋物面反射器（4）結構，以保證由白光LED模組（1）光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器（4）反射後準直出射。
改善效果
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》提出的理論無損光效的LED光全反射準直系統，理論上能夠將LED光源發出的光束能量100%準直出射，僅僅有反射器的反射損失，而反射器的反射率可以做到95%以上或更高，系統又完全採用全反射器設計，沒有任何透鏡結構，所以準直的光學系統效率很高。
附圖說明
圖1是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述光學系統結構的正視圖。
圖2是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述光學系統結構的左視圖。
圖3是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》LED光源在α角內出射的一部分光線經改進的橢球面反射器會聚，再經改進的第一拋物面反射器準直的光路圖。
圖4是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》LED光源未經改進的橢球面反射器反射而直接出射的在β角內出射的另一部分光線經改進的第二拋物面反射器準直的光路圖。
圖5是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述的LED光源準直光學系統結構的實例三維視圖。
圖6是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述的LED光源準直光學系統結構的實例在5米遠測試屏上形成的照度平面分布圖。
圖中標號：1.LED光源，2.改進的橢球面反射器，3. 改進的第一拋物面反射器，4.改進的第二拋物面反射器。
技術領域
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》屬於光學技術領域，具體涉及一種對LED光源的出射光線進行準直並且提供高光能利用效率的光學系統。
權利要求
1. 一種理論無損光效的LED光全反射的準直系統，其特徵在於由白光LED模組（1）、改進的橢球面反射器（2）、改進的第一拋物面反射器（3）、改進的第二拋物面反射器（4）組成；所述白光LED模組（1）幾何中心位於改進的橢球面反射器（2）的第一焦點處；所述改進的第一拋物面反射器（3）位於改進的橢球面反射器（2）上方，且其焦點與改進的橢球面反射器（2）的第二焦點重合；所述改進的第二拋物面反射器（4）位於改進的第一拋物面反射器（3）的上方，且其焦點與白光LED模組（1）幾何中心位置重合；其中：
由白光LED模組（1）出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器（2）會聚到其第二焦點處，再經改進的第一拋物面反射器（3）準直出射；由白光LED模組（1）光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器（4）準直出射；改進的第一拋物面反射器（3）和改進的第二拋物面反射器（4）的出射光束的主光軸平行，且同時平行於LED光源（1）的主光線，以保證經它們反射後的光線按同一水平方向準直出射，形成理論無損效率的高效LED光全反射的準直系統；0<α<180，0<β<180，且α+β=180。
2. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的白光LED模組（1） 為單晶片或多晶片COB封裝的白光LED，多晶片封裝發光面尺寸為A×A或A×B，其中0.5毫米≤A≤20毫米，0.5毫米≤B≤20毫米，A≠B，發光面積對角線為系統最大通光口徑的1/10或更小，白光LED光源模組的發光面法線垂直於改進的橢球面反射器（2）的長軸所在的開口截面。
3. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的橢球面反射器（2）以靠近的長軸端點為起點的第一焦點的位置大於5毫米，第二焦點的位置大於等於10毫米，長軸方向長度與第二焦點的位置長度相當，內表面採用高反射率鏡面鍍膜，反射率達到95%以上。
4. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第一拋物面反射器（3）焦距與白光LED模組（1）發光面結構大小相匹配，通光有效口徑大於等於白光LED發光面對角線長度的10倍，反射器（3）的長度與其焦距相當對於單顆晶片封裝的白光LED，焦距為5-30毫米，反射器（3）長度與其焦距的位置長度相當通光有效口徑為10-60毫米。
5. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第二拋物面反射器（4）結構參數與改進的橢球面反射器（2）和改進的第一拋物面反射器（3）相匹配，其焦距大於等於8毫米，反射器（4）長度大於等於15毫米，通過有效口徑大於40毫米。
6. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的橢球面反射器（2）是基於標準橢球面反射器設計而成，當LED光源近似看作點光源時，該反射器採用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器採用改進後的橢球面反射器（2）以保證白光LED模組（1）面光源出射的光線能夠會聚到其第二焦點附近形成彌散斑較小的光斑。
7. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第一拋物面反射器（3）是基於標準的拋物面反射器設計而成，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑為系統最大通光口徑的1/10或更小時，該反射器（3）採用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑大於系統最大通光口徑的1/10時，該反射器採用改進的第一拋物面反射器（3）結構，以保證由白光LED模組（1）出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處形成彌散斑的光斑做為改進的第一拋物面反射器（3）焦點處的近似點光源，再經其表面反射後準直出射。
8. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第二拋物面反射器（4）是基於標準的拋物面反射器設計而成，在LED光源近似看作點光源時，採用標準的拋物面結構；在白光LED模組（1）光源為一擴展光源時，採用改進的第二拋物面反射器（4）結構，以保證由白光LED模組（1）光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器（4）反射後準直出射。
實施方式
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》提出的理論無損光效的LED光全反射的準直系統， 包括白光LED模組1、改進的橢球面反射器2、改進的第一拋物面反射器3、改進的第二拋物面反射器4組成，白光LED模組1幾何中心置於改進的橢球面反射器2的第一焦點處，改進的第一拋物面反射器3位於改進的橢球面反射器2上方，且其焦點與改進的橢球面反射器2的第二焦點重合，改進的第二拋物面反射器4位於改進的第一拋物面反射器3的上方，且其焦點與白光LED模組1的幾何中心位置重合，白光LED模組1發出的在α角內的一部分出射光束經過改進的橢球面反射器2會聚到其第二焦點處，由於改進的橢球面反射器1的第二焦點與改進的第一拋物面3的焦點重合，光束再經過改進的第一拋物面反射器3反射後水平準直出射，LED光源的另一部分在β角內出射的光束未經改進的橢球面反射器2的反射直接出射，由於改進的第二拋物面反射器的焦點與改進的橢球面第一焦點重合，這部分光束經改進的第二拋物面反射器4的反射後水平準直出射，又由於改進的第一拋物面反射器3和改進的第二拋物面反射器4的出射光束的主光軸平行，形成高效的LED光全反射的準直系統。
實施例
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示的，是該發明高效LED光全反射的準直系統的結構示意圖；採用單晶片COB封裝的白光LED模組1作為光源，驅動電壓為3.3伏，電流為300.0毫安，改進的橢球面反射器2第一焦距5.0毫米，第二焦距30.0毫米，長度為30.0毫米，改進的第一拋物面反射器3焦距為18.0毫米，長度為18.0毫米，改進的第二拋物面反射器4焦距為30.8毫米，長度為62.0毫米。圖5是該發明所述的LED光源準直光學系統結構的實例三維視圖；圖6是該發明所述的LED光源準直光學系統結構的實例在5米遠測試屏上形成的照度平面分布圖。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》有以下特點：
1.採用LED作為光源，改進的第一拋物面反射器的長度隨著LED模組出射光線中未經改進的橢球面反射器反射的直射光線的開口角度的變化而變化，當直射光線與豎直方向最大夾角變大時，改進的第一拋物面反射器長度要伸長以保證完全反射直射光部分，當LED發光半角較小以至完全被改進的橢球面反射器反射時，改進的第一拋物面反射器長度為零；
2.如圖1所示結構，其中改進的橢球面反射器是基於標準橢球面反射器設計的，當LED光源可近似看作點光源時，該反射器採用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器採用改進後的橢球面反射器以保證LED面光源出射的光線能夠會聚在第二焦點附近，當改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑直徑為系統最大通光口徑的1/10或更小時，改進的第一拋物面反射器採用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑直徑大於系統最大通光口徑的1/10時，該反射器採用改進的拋物面結構，以保證由改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑處出射的光線經其反射可以準直出射。改進的第二拋物面反射器在LED光源近似可看作點光源時，採用標準的拋物面結構，在LED光源為一擴展光源時，採用改進的拋物面結構，以保證LED直射光經其反射可以準直出射；
3．如圖1所示理論無損光效的LED光全反射準直系統，理論上能夠將LED光源發出的光束能量100%準直出射，僅僅有反射器的反射損失，而反射器的反射率可以做到95%以上或更高，系統又完全採用全反射器設計，沒有任何透鏡結構，所以準直的光學系統效率很高。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
一般LED是朗伯輻射體分布的光源，經過LED發光面幾何中心法線的子午面（紙面內）內的發光角度是180度，《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》的LED光源模組發出的光束，在其面內有一部分光先經過改進的橢球面反射器，光束會聚到改進的橢球面第二焦點處，由於改進的橢球面反射器第二焦點與改進的第一拋物面焦點重合，這部分光經過改進的第一拋物面準直出射，這個角度就是α角；另外一部分光束沒有經過改進的橢球面反射器，由LED光源模組直接入射到改進的第二拋物面表面，由於LED光源模組的幾何中心與第二拋物面焦點重合，這部分光就經過改進的第二拋物面準直出射，這個角度就是β角。
LED光源是一組模組光源，發光面積有一定的大小，如果其發光面積大小小於其光ED光源是一組模組光源，發光面積有一定的大小，如果其發光面積大小小於其光傳播過程中反射面有效通光孔徑的1/10，可以認為LED光源近似為點光源，這時的橢球面反射器的反射面就是標準的橢球面，第一拋物面反射器和第二拋物面反射器的反射面就是標準的拋物面；如果其發光面積大小大於其光傳播過程中反射面有效通光孔徑的1/10，LED光源就是一個擴展的光源，這時把擴展的LED光源認為是多個點光源組成的光源，LED光源只有位於焦點處的那部分光束才按照理想的光束傳播，也就是從橢球面第一焦點的發出的光束經橢球面反射會聚到橢球面的第二焦點，從拋物面焦點處發出的光束經拋物面反射準直出射，組成擴展的LED光源的其它點光源由於處於離焦位置，對於從橢球面第一焦點附近的出射光束經橢球面反射就不會會聚到第二焦點處，對於從拋物面焦點附近的出射光束經拋物面反射就不會準直出射。
所以，對於擴展的LED光源，認為是多個點光源組成的光源，處於焦點以外的點光源經過橢球面反射時，把橢球面分成多個區域，按照光映射的原理，讓入射到每個橢球面反射區域的光束，經過高次曲面的修正，會聚到橢球面的第二焦點處，把這些修正後的橢球面反射區域擬合為一個新的橢球面，這就是改進的橢球面；經過改進的橢球面反射器會聚到第二焦點處的光斑也不是絕對的點光源，是一個擴展光源，也可以認為是多個點光源組成的光源，由於改進的橢球面第二焦點幾何中心與第一拋物面焦點重合，在該焦點以外的點光源經過第一拋物面反射時，把第一拋物面也分成多個區域，按照光映射的原理，讓入射到每個第一拋物面反射區域的光束，經過高次曲面的修正後準直出射，把這些修正後的第一拋物面反射區域擬合為一個新的第一拋物面，這就是改進的第一拋物面；由於擴展的LED光源認為是多個點光源組成的光源，處於焦點以外的點光源經過第二拋物面反射時，把第二拋物面分成多個區域，按照光映射的原理，讓入射到每個第二拋物面反射區域的光束，經過高次曲面的修正後準直出射，把這些修正後的第二拋物面反射區域擬合為一個新的第二拋物面，這就是改進的第二拋物面，
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的白光LED模組為單晶片或多晶片COB封裝的白光LED，多晶片封裝發光面尺寸為A×A或A×B，其中0.5毫米≤A≤20毫米，0.5毫米≤B≤20毫米，A≠B，發光面積對角線為系統最大通光口徑的1/10或更小，白光LED光源模組的發光面法線垂直於改進的橢球面反射器長軸。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的橢球面反射器以靠近的長軸端點為起點的第一焦點的位置大於5毫米，第二焦點的位置大於等於10毫米，長軸方向長度與第二焦點的位置長度相當，內表面採用高反射率鏡面鍍膜，反射率達到95%以上。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第一拋物面反射器焦距與白光LED發光面大小相匹配，通光有效口徑大於等於白光LED發光面對角線的10倍，反射器的長度與其焦距相當，對於單顆晶片封裝的白光LED，通常焦距為5-30毫米，反射器長度與焦點的位置長度相當，口徑為10-60毫米，或根據結構要求為較大；多晶片封裝的白光LED較單晶片封裝的白光LED的改進的第一拋物面反射器的結構稍大。（這裡“相當”是“相等”的意思）
改進的橢球面反射器中，焦點的位置長度：以靠近光源所在位置（改進的橢球面第一焦點）的橢球面長軸端點為起點，到改進的橢球面第二焦點的距離，稱為第二焦點的位置長度；
改進的第一拋物面反射器，“焦點的位置長度”，指的是拋物面頂點到拋物面焦點的距離，實際上也是拋物面的焦距，也可以稱為為“焦距的大小”。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第二拋物面反射器結構參數與改進的橢球面反射器和改進的第一拋物面反射器結構大小相匹配，焦距大於等於8毫米，反射器長度大於等於15毫米，通光有效口徑大於40毫米。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的橢球面反射器（2）是基於標準橢球面反射器設計而成，當LED光源近似看作點光源時，該反射器採用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器採用改進後的橢球面反射器（2）以保證白光LED模組（1）面光源出射的光線能夠會聚到其第二焦點附近形成彌散斑較小的光斑。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第一拋物面反射器（3）是基於標準的拋物面反射器設計而成，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑為系統最大通光口徑的1/10或更小時，該反射器（3）採用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑大於系統最大通光口徑的1/10時，該反射器採用改進的第一拋物面反射器（3）結構，以保證由白光LED模組（1）出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處形成彌散斑的光斑做為改進的第一拋物面反射器（3）焦點處的近似點光源，再經其表面反射後準直出射。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》中，所述的改進的第二拋物面反射器（4）是基於標準的拋物面反射器設計而成，在LED光源近似看作點光源時，採用標準的拋物面結構；在白光LED模組（1）光源為一擴展光源時，採用改進的第二拋物面反射器（4）結構，以保證由白光LED模組（1）光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器（4）反射後準直出射。
改善效果
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》提出的理論無損光效的LED光全反射準直系統，理論上能夠將LED光源發出的光束能量100%準直出射，僅僅有反射器的反射損失，而反射器的反射率可以做到95%以上或更高，系統又完全採用全反射器設計，沒有任何透鏡結構，所以準直的光學系統效率很高。
附圖說明
圖1是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述光學系統結構的正視圖。
圖2是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述光學系統結構的左視圖。
圖3是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》LED光源在α角內出射的一部分光線經改進的橢球面反射器會聚，再經改進的第一拋物面反射器準直的光路圖。
圖4是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》LED光源未經改進的橢球面反射器反射而直接出射的在β角內出射的另一部分光線經改進的第二拋物面反射器準直的光路圖。
圖5是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述的LED光源準直光學系統結構的實例三維視圖。
圖6是《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》所述的LED光源準直光學系統結構的實例在5米遠測試屏上形成的照度平面分布圖。
圖中標號：1.LED光源，2.改進的橢球面反射器，3. 改進的第一拋物面反射器，4.改進的第二拋物面反射器。
技術領域
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》屬於光學技術領域，具體涉及一種對LED光源的出射光線進行準直並且提供高光能利用效率的光學系統。
權利要求
1. 一種理論無損光效的LED光全反射的準直系統，其特徵在於由白光LED模組（1）、改進的橢球面反射器（2）、改進的第一拋物面反射器（3）、改進的第二拋物面反射器（4）組成；所述白光LED模組（1）幾何中心位於改進的橢球面反射器（2）的第一焦點處；所述改進的第一拋物面反射器（3）位於改進的橢球面反射器（2）上方，且其焦點與改進的橢球面反射器（2）的第二焦點重合；所述改進的第二拋物面反射器（4）位於改進的第一拋物面反射器（3）的上方，且其焦點與白光LED模組（1）幾何中心位置重合；其中：
由白光LED模組（1）出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器（2）會聚到其第二焦點處，再經改進的第一拋物面反射器（3）準直出射；由白光LED模組（1）光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器（4）準直出射；改進的第一拋物面反射器（3）和改進的第二拋物面反射器（4）的出射光束的主光軸平行，且同時平行於LED光源（1）的主光線，以保證經它們反射後的光線按同一水平方向準直出射，形成理論無損效率的高效LED光全反射的準直系統；0<α<180，0<β<180，且α+β=180。
2. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的白光LED模組（1） 為單晶片或多晶片COB封裝的白光LED，多晶片封裝發光面尺寸為A×A或A×B，其中0.5毫米≤A≤20毫米，0.5毫米≤B≤20毫米，A≠B，發光面積對角線為系統最大通光口徑的1/10或更小，白光LED光源模組的發光面法線垂直於改進的橢球面反射器（2）的長軸所在的開口截面。
3. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的橢球面反射器（2）以靠近的長軸端點為起點的第一焦點的位置大於5毫米，第二焦點的位置大於等於10毫米，長軸方向長度與第二焦點的位置長度相當，內表面採用高反射率鏡面鍍膜，反射率達到95%以上。
4. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第一拋物面反射器（3）焦距與白光LED模組（1）發光面結構大小相匹配，通光有效口徑大於等於白光LED發光面對角線長度的10倍，反射器（3）的長度與其焦距相當對於單顆晶片封裝的白光LED，焦距為5-30毫米，反射器（3）長度與其焦距的位置長度相當通光有效口徑為10-60毫米。
5. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第二拋物面反射器（4）結構參數與改進的橢球面反射器（2）和改進的第一拋物面反射器（3）相匹配，其焦距大於等於8毫米，反射器（4）長度大於等於15毫米，通過有效口徑大於40毫米。
6. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的橢球面反射器（2）是基於標準橢球面反射器設計而成，當LED光源近似看作點光源時，該反射器採用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器採用改進後的橢球面反射器（2）以保證白光LED模組（1）面光源出射的光線能夠會聚到其第二焦點附近形成彌散斑較小的光斑。
7. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第一拋物面反射器（3）是基於標準的拋物面反射器設計而成，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑為系統最大通光口徑的1/10或更小時，該反射器（3）採用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處的彌散斑直徑大於系統最大通光口徑的1/10時，該反射器採用改進的第一拋物面反射器（3）結構，以保證由白光LED模組（1）出射的一部分α角內光束經過改進的橢球面反射器（2）在其第二焦點處形成彌散斑的光斑做為改進的第一拋物面反射器（3）焦點處的近似點光源，再經其表面反射後準直出射。
8. 根據權利要求1所述的LED光全反射的準直系統，其特徵在於：所述的改進的第二拋物面反射器（4）是基於標準的拋物面反射器設計而成，在LED光源近似看作點光源時，採用標準的拋物面結構；在白光LED模組（1）光源為一擴展光源時，採用改進的第二拋物面反射器（4）結構，以保證由白光LED模組（1）光源出射的另一部分β角內光束經過改進的第二拋物面反射器（4）反射後準直出射。
實施方式
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》提出的理論無損光效的LED光全反射的準直系統， 包括白光LED模組1、改進的橢球面反射器2、改進的第一拋物面反射器3、改進的第二拋物面反射器4組成，白光LED模組1幾何中心置於改進的橢球面反射器2的第一焦點處，改進的第一拋物面反射器3位於改進的橢球面反射器2上方，且其焦點與改進的橢球面反射器2的第二焦點重合，改進的第二拋物面反射器4位於改進的第一拋物面反射器3的上方，且其焦點與白光LED模組1的幾何中心位置重合，白光LED模組1發出的在α角內的一部分出射光束經過改進的橢球面反射器2會聚到其第二焦點處，由於改進的橢球面反射器1的第二焦點與改進的第一拋物面3的焦點重合，光束再經過改進的第一拋物面反射器3反射後水平準直出射，LED光源的另一部分在β角內出射的光束未經改進的橢球面反射器2的反射直接出射，由於改進的第二拋物面反射器的焦點與改進的橢球面第一焦點重合，這部分光束經改進的第二拋物面反射器4的反射後水平準直出射，又由於改進的第一拋物面反射器3和改進的第二拋物面反射器4的出射光束的主光軸平行，形成高效的LED光全反射的準直系統。
實施例
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示的，是該發明高效LED光全反射的準直系統的結構示意圖；採用單晶片COB封裝的白光LED模組1作為光源，驅動電壓為3.3伏，電流為300.0毫安，改進的橢球面反射器2第一焦距5.0毫米，第二焦距30.0毫米，長度為30.0毫米，改進的第一拋物面反射器3焦距為18.0毫米，長度為18.0毫米，改進的第二拋物面反射器4焦距為30.8毫米，長度為62.0毫米。圖5是該發明所述的LED光源準直光學系統結構的實例三維視圖；圖6是該發明所述的LED光源準直光學系統結構的實例在5米遠測試屏上形成的照度平面分布圖。
《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》有以下特點：
1.採用LED作為光源，改進的第一拋物面反射器的長度隨著LED模組出射光線中未經改進的橢球面反射器反射的直射光線的開口角度的變化而變化，當直射光線與豎直方向最大夾角變大時，改進的第一拋物面反射器長度要伸長以保證完全反射直射光部分，當LED發光半角較小以至完全被改進的橢球面反射器反射時，改進的第一拋物面反射器長度為零；
2.如圖1所示結構，其中改進的橢球面反射器是基於標準橢球面反射器設計的，當LED光源可近似看作點光源時，該反射器採用標準的橢球面結構，當LED光源為一拓展光源時，該反射器採用改進後的橢球面反射器以保證LED面光源出射的光線能夠會聚在第二焦點附近，當改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑直徑為系統最大通光口徑的1/10或更小時，改進的第一拋物面反射器採用標準的拋物面結構，當改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑直徑大於系統最大通光口徑的1/10時，該反射器採用改進的拋物面結構，以保證由改進的橢球面反射器在第二焦點處的彌散斑處出射的光線經其反射可以準直出射。改進的第二拋物面反射器在LED光源近似可看作點光源時，採用標準的拋物面結構，在LED光源為一擴展光源時，採用改進的拋物面結構，以保證LED直射光經其反射可以準直出射；
3．如圖1所示理論無損光效的LED光全反射準直系統，理論上能夠將LED光源發出的光束能量100%準直出射，僅僅有反射器的反射損失，而反射器的反射率可以做到95%以上或更高，系統又完全採用全反射器設計，沒有任何透鏡結構，所以準直的光學系統效率很高。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種理論無損光效的LED光全反射準直系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
