CN101639195A - 发光二极管光源装置及使用该光源装置的液晶投影设备 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管光源装置，包括基板、面发光元件、折射透镜、聚光透镜组及中空聚光透镜组。面发光元件设置于基板上。折射透镜罩住面发光元件，用于折射所接收到的面发光元件所发出的光，减小面发光元件所发出的光的发散角。聚光透镜组设置于折射透镜影像输出光路上，用于折射、整形、会聚所接收到的折射透镜所发出的光，进一步减小折射透镜出射光的发散角。中空聚光透镜组设置于聚光透镜组影像输出光路上，用于接收聚光透镜组所发出的光，并对边缘光做聚光处理。本发明的光源装置，通过多个透镜的折射，输出光亮度均匀、准直性好的接近矩形的椭圆形光斑，光能的利用率高，结构简单，设计成本低廉。另外，还提供一种使用该光源装置的液晶投影设备。

Description

发光二极管光源装置及使用该光源装置的液晶投影设备

技术领域

本发明涉及照明光源和投影显示技术，尤其涉及一种白光发光二极管光源装置及使用该光源装置的液晶投影设备。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种磷化镓(GAP)、氮化镓(GAN)等半导体材料制成的、能直接将电能转化为光能的发光器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。由于LED发光效率高、寿命长、反应灵敏、不含有毒物质等特点，使得其的应用越来越广泛，例如：在液晶显示领域作为照明光源，而将LED作为照明光源往往还配合使用光学透镜以提高光效。

中国发明专利申请公开说明书中公开号“CN101122711”名称为“背光器件、光源器件、透镜、电子设备和光导板”公开了一种光源器件(参阅图1)，包括发光元件10、透镜11以及反射构件12。其中，该透镜11具有入射表面110和出射表面111。发光元件10发射的光入射在入射表面110上。出射表面111具有会聚光的作用。反射构件12用于将该透镜11的出射表面111出射的光一部分朝向光导板13的入射面发射。然而，这种结构的光源，其光学设计比较复杂，均匀性一般较差，且该透镜11以及反射构件12通常是塑料，对蓝光的吸收较多，使得该光源发出偏黄的白光，难以满足高品质需求。

而中国实用新型专利说明书中公开号“CN201025617”名称为“发光装置”公开了一种利用菲涅尔透镜的聚焦作用，提高光的利用率的发光装置，其包括发光元件以及透镜。其中，该透镜为凸体，具有开口、内部空间以及外表面。透镜的开口朝向发光元件方向设置，并容置部分发光元件于内部空间中。外表面上具有复数沟槽。其中每一沟槽的底面积小于其开口的面积，且每一沟槽与透镜开口为同心圆。然而，这种结构的发光装置作为光源，由于其采用的菲涅尔透镜，光学设计比较复杂，对工艺要求较高，增加了光源的制造成本，且，该透镜仍然为塑料，同样使得该光源发出偏黄的白光，难以满足高品质需求。

发明内容

有鉴于此，须提供一种结构简单，光亮度均匀，能输出准直性好的接近矩形的椭圆形光斑的发光二极管光源装置。

另外，还需提供一种结构简单，成本低廉，光能利用率高的液晶投影设备。

一种发光二极管光源装置，主要包括基板、面发光元件、折射透镜、聚光透镜组以及中空聚光透镜组。面发光元件设置于所述基板上。折射透镜罩住所述面发光元件，用于折射所接收到的面发光元件所发出的光，减小该面发光元件所发出的光的发散角。聚光透镜组设置于所述折射透镜影像输出光路上，用于折射、整形、会聚所接收到的折射透镜所发出的光，进一步减小该折射透镜出射光的发散角。中空聚光透镜组设置于所述聚光透镜组影像输出光路上，用于接收该聚光透镜组所发出的光，并对边缘光做聚光处理。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述中空聚光透镜组包括中空部以及折射部。其中，中空部用于直接通过入射光的大部分光。折射部用于使入射光的边缘光朝向中空部方向折射。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述中空部的截面形状为矩形、圆形或者椭圆形；所述折射部的外表面形状为矩形、圆形、梯形或者弧形。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述聚光透镜组包括至少一个聚光透镜；所述中空聚光透镜组包括至少一个中空聚光透镜。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述折射透镜、聚光透镜组以及中空聚光透镜组为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜或者锯齿透镜。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述折射透镜、聚光透镜组以及中空聚光透镜组整合为一体；采用整合为一体的结构，有利于对发光面的调焦，以补偿胶层厚度的不易精确控制，同时，使整个光源结构紧凑体积小，以满足投影设备微型化的需要。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述折射透镜向内凹陷形成用于容纳所述面发光元件的凹槽；采用凹槽的结构，确保折射透镜充分完全的接收光，提高光能的利用率。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述面发光元件包括红光发光二极管芯片，蓝光发光二极管芯片以及绿光发光二极管芯片。

上述的发光二极管光源装置，其中：所述面发光元件包括蓝光发光二极管芯片以及用于吸收所述蓝光发光二极管芯片所发出的一部分光并转换成长波长光的荧光粉。

一种液晶投影设备，包括偏振分光器、微液晶显示单元、投影透镜以及上述的发光二极管光源装置。偏振分光器用于把非偏振光转化为偏振光。微液晶显示单元用于把所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。投影透镜用于接收携有图像信息的另一偏振光。发光二极管光源装置用于输出所述非偏振光。

上述的液晶投影设备，其中：所述发光二极管光源装置与偏振分光器之间或者所述偏振分光器与投影透镜之间还设置有偏振片，用于把非偏振光转换为单一偏振状态的光；采用偏振片的结构，有利于提高光效，进而提高对比度。

上述的液晶投影设备，其中：所述微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于所述偏振分光器与发光二极管光源装置的非相邻的一侧。

上述的液晶投影设备，其中：所述微液晶显示单元为两片液晶面板，分别设置于所述偏振分光器的相邻两侧面上。

本发明的发光二极管光源装置，面发光元件发出的光，通过折射透镜、聚光透镜组以及中空聚光透镜组的折射，输出光亮度均匀、准直性好的接近矩形的椭圆形光斑，光能的利用率高，结构简单，设计成本低廉，能满足成像液晶面板对照明光小角度入射的要求。此外，使用上述发光二极管光源装置的液晶投影设备，其光学系统设计过程仅涉及发光二极管光源装置，偏振分光器、微液晶显示单元以及投影透镜，不涉及其他光学器件，结构简单，光能利用率高，生产成本较低。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为现有光源器件的结构示意图。

图2为本发明发光二极管光源装置的结构示意图。

图3为图2的一实施方式的中空聚光透镜组的侧视结构示意图。

图4为另一实施方式的中空聚光透镜组的侧视结构示意图。

图5为本发明发光二极管光源装置输出的光斑效果示意图。

图6为本发明第一实施方式的液晶投影设备的结构示意图。

图7为本发明第二实施方式的液晶投影设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图2所示为本发明发光二极管光源装置20的结构示意图，其包括基板21、面发光元件22、折射透镜23、聚光透镜组24以及中空聚光透镜组25。

本实施方式中，基板21包括电路层(图中未标示)以及设置于电路层下表面的散热层(图中未标示)。

面发光元件22设置于基板21上，与基板21上的电路层电连接，用于发出180°的光。本实施方式中，面发光元件22包括蓝光发光二极管芯片以及用于吸收蓝光发光二极管芯片所发出的一部分光并转换成长波长光的稀土发光材料(荧光粉，图中未示出)。具体实施方式中，荧光粉受蓝光发光二极管芯片所发出的蓝光的激励，转换成黄色系列的光，与另一部分透过荧光粉的蓝光复合成白光。

本发明其它实施方式中，面发光元件22包括红光发光二极管芯片(图中未示出)，蓝光发光二极管芯片(图中未示出)以及绿光发光二极管芯片(图中未示出)。即，面发光元件22也可以是含有方形(正方形或长方形)布置的多个发光二极管芯片，该多个发光二极管芯片发出的光经混合后也能发出白光。此外，面发光元件22还包括与红光发光二极管芯片、绿光发光二极管芯片以及蓝光发光二极管芯片连接的控制器(图中未示出)，用于控制芯片的时序发光。又，各个芯片工作频率按液晶面板所需光照参数进行设定，以达到显示最好的颜色视觉效果。当然，面发光元件22也可以包括至少一个发光二极管芯片与其他发光芯片(例如：激光二极管芯片)，这里不再赘述。

折射透镜23罩住面发光元件22，用于折射所接收到的面发光元件22所发出的光，减小该面发光元件22所发出的光的发散角。此外，折射透镜23向内凹陷形成用于容纳面发光元件22的凹槽231；采用凹槽的结构，使折射透镜23与面发光元件22之间的间隙较小，确保折射透镜23充分完全的接收光，提高光能的利用率。本实施方式中，折射透镜23、聚光透镜组24以及中空聚光透镜组25整合为一体，从而使整合一体的透镜组能够相对面发光元件22移动，通过移动整合一体的透镜组，实现对发光面的调焦，以补偿胶层厚度的不易精确控制，同时，使整个光源结构紧凑体积小，以满足投影设备微型化的需要。

本发明其它实施方式中，该折射透镜23也可以通过固定构件(图中未示出)以可拆卸的方式设置于基板21上。例如：固定构件是可以套装该折射透镜23的壳体，壳体伸出有用来与面发光元件22相连接的引脚。先将折射透镜23装入到壳体内，壳体的引脚内含有螺纹孔，只需要在面发光元件22的基板21的边缘开设相对应的螺钉孔，便可实现螺钉连接固定；或者在基板21的边缘开槽口，通过改变引脚的形状，也可容易实现卡扣连接；或者改变引脚的材料，也可实现点焊连接壳体与基板21。当然，聚光透镜组24以及中空聚光透镜组25也可以通过这种方式固定，得到体积很小的发光二极管光源装置，结构紧凑，可靠性好，满足小型化的需求。

聚光透镜组24，设置于折射透镜23影像输出光路上，用于折射、整形、会聚所接收到的折射透镜23所发出的光，进一步减小该折射透镜23出射光的发散角。在本实施方式的发光二极管光源装置20中，180°的光经折射透镜23以及聚光透镜组24的折射后，其发散角小于-15°～+15°。

本实施方式中，折射透镜23以及聚光透镜组24为玻璃或者塑料。当折射透镜23以及聚光透镜组24采用高折射率的玻璃等材料时，该中空聚光透镜组25也可以省略。

中空聚光透镜组25设置于聚光透镜组24影像输出的光路上，用于接收该聚光透镜组24所发出的光，并对边缘光做聚光处理，其包括中空部251、251’(参阅图3、图4)以及折射部252、252’(参阅图3、图4)。中空部251、251’用于直接通过入射光的大部分光。折射部252、252’用于使入射光的边缘光朝向中空部251、251’方向折射。本实施方式中，中空聚光透镜组24为塑料。由于大部分光从中空部251、251’中直接出射，不损失光输出的效率，因此，即使采用塑料材质的中空聚光透镜组24，也不会影响该发光二极管光源装置20输出均一、高质量的白光，而通过折射部252、252’的折射，更能有效提高了光能的利用率。

本发明中，聚光透镜组24包括至少一个聚光透镜；中空聚光透镜组25包括至少一个中空聚光透镜。具体实施方式中，聚光透镜的数量为一个。中空聚光透镜的数量也为一个。

本发明的其它实施方式中，聚光透镜以及中空聚光透镜的数量也可以为多个。

此外，本实施方式中，折射透镜23、聚光透镜组24以及中空聚光透镜组25为非球面透镜，采用非球面透镜的结构，有利于消除球差，提高出射光的一致性。

本发明其它实施方式中，折射透镜23、聚光透镜组24以及中空聚光透镜组25也可以为球面透镜、菲涅尔透镜或者锯齿透镜。

请参阅图3以及图4，为中空聚光透镜组25的侧视结构示意图。本实施方式中，中空部251、251’的截面形状为矩形；折射部252、252’的外表面形状为矩形(参阅图3)或者圆形(参阅图4)。

本发明其它实施方式中，该中空部的截面形状也可以为圆形或者椭圆形。该折射部的外表面形状也可以为梯形、弧形，只要满足入射于其中的光束朝向中空部方向出射即可。

图5所示为本发明发光二极管光源装置20输出的光斑效果示意图。发光元件22发出的光经折射透镜23以及聚光透镜组24后输出的光斑一般为圆形光斑，经过中空聚光透镜组25的聚光处理，被压缩成接近矩形的椭圆形光斑。即，圆的四周的填充区域b(原先光斑的边缘部分)的光被折射到矩形区域a中，使得原先光斑的边缘光得到了利用，进而提高了光能的利用率。详细说，液晶面板(图中未示出)的显示区域大小为图中所示矩形区域a的大小，显然会产生四个图像暗区b，而通过本发明的中空聚光透镜组25，大部分光直接从中空部出射，输出到矩形区域a，而折射部则把原射向四个图像暗区的光，即边缘光，折射到矩形区域a中，因此，圆形光斑被压缩为准直性好的接近矩形的椭圆形光斑，同时提高输出光斑的均匀性。

因此，本发明的发光二极管光源装置20，面发光元件22发出的光，通过折射透镜23、聚光透镜组24以及中空聚焦透镜25的折射，输出光亮度均匀、准直性好的接近矩形的椭圆形光斑，提高光能的利用率，结构简单，设计成本低廉，能满足成像液晶面板对照明光小角度入射的要求。

图6所示为本发明第一实施方式的液晶投影设备的结构示意图。该液晶投影设备包括发光二极管光源装置20，偏振分光器30、微液晶显示单元40以及投影透镜50，其中，发光二极管光源装置20为上述任一实施方式的发光二极管光源装置，该发光二极管光源装置20发出非偏振光。

偏振分光器30用于把非偏振光转化为偏振光。本实施方式中，偏振分光器30为立方体形状，由二个三角棱镜胶合而成，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形成一个偏振分光面，该偏振分光面可以将非偏振光转换为偏振光并分离出S偏振光和P偏振光。当然，偏振分光器30也可以由其它棱镜胶合而成，只要满足入射的非偏振光被转化为偏振光出射即可。

微液晶显示单元40用于把所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。本实施方式中，微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于偏振分光器30与发光二极管光源装置20的非相邻的一侧。当微液晶显示单元40接收到的偏振光为S偏振光时，经过微液晶显示单元的调制后，将转换为携有图像信息的P偏振光。

本发明其它实施方式中，该微液晶显示单元40’所接收到的偏振光也可以为P偏振光，经过微液晶显示单元40’的调制后，转换为携有图像信息的S偏振光。

当微液晶显示单元40接收到的偏振光为S偏振光时，该投影透镜50与微液晶显示单元40相对平行设置于偏振分光器30的一侧，用于接收携有图像信息的另一偏振光，即P偏振光。而当微液晶显示单元40’接收到的偏振光为P偏振光时(参阅图6的虚线部分)，投影透镜50与微液晶显示单元40’相邻设置于偏振分光器30的一侧，换句话说，投影透镜50与微液晶显示单元40’分别设置于偏振分光器30的相邻两侧面上。此时，投影透镜50是用于接收携有图像信息的S偏振光。

此外，为了提高对比度，在发光二极管光源装置20与偏振分光器30之间还设置偏振片60，用于把非偏振光转换为单一偏振状态的光，换句话说，偏振片60可以把入射的光全部转换为S偏振光或P偏振光，提高光效。

本发明其它实施方式中，偏振片60’还可以设置于偏振分光器30与投影透镜50之间(参阅图6中的虚线部分)。而偏振片60、60’可以与偏振分光器30胶合在一起，也可以与偏振分光器30分离。偏振片60、60’的结构可以由数个连续结合在一起的棱镜组成，偏振片60、60’内部含有连续交接的数个斜面，斜面上含有偏振分光膜层以构成偏振分光面，斜面整体构成锯齿形状。部分棱镜的光入射面上设置有四分之一波片。

当然，偏振片60、60’的结构也可以由阵列排放的七块小棱镜胶合在一起构成，其中第四个棱镜横截面为等边直角三角形，其他六个棱镜均为等大小的平行四边形棱镜，且这六个棱镜对半且对称的分布在所述第四个棱镜的两边。在部分棱镜之间的结合面上镀有偏振分光膜层或全反光膜层，在部分棱镜的光出射面上设置二分之一波片。总之，偏振片60、60’只要满足把入射的非偏振光转换为单一偏振状态的光出射即可。

图7所示为本发明第二实施方式的液晶投影设备的结构示意图。该液晶投影设备与图6所示的液晶投影设备的结构基本相同，区别在于，图7所示的液晶投影设备不需要偏振片，而微液晶显示单元为两片式液晶面板，分别设置于偏振分光器30’的相邻两侧面上。发光二极管光源装置20’发射出均匀的接近矩形的椭圆形光斑经偏振分光器30’后分成为两束偏振光：S偏振光、P偏振光，分别提供给液晶面板41、42。两液晶面板输出图像光经偏振分光器30’后再合成为一束光，从投影镜头50’输出到外部屏幕。

因此，本发明的液晶投影设备中，发光二极管光源装置发射出均匀的接近矩形的椭圆形光斑经偏振分光器分光后提供给微液晶显示单元，之后，微液晶显示单元调制出图像光从投影镜头输出到外部屏幕，其光学系统设计过程仅涉及发光二极管光源装置，偏振分光器、微液晶显示单元以及投影透镜，不涉及其他光学器件，结构简单，光能利用率高，生产成本较低。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种发光二极管光源装置，主要包括：

基板；

面发光元件，设置于所述基板上；

其特征在于，所述发光二极管光源装置还包括：

折射透镜，罩住所述面发光元件，用于折射所接收到的面发光元件所发出的光，减小该面发光元件所发出的光的发散角；

聚光透镜组，设置于所述折射透镜影像输出光路上，用于折射、整形、会聚所接收到的折射透镜所发出的光，进一步减小该折射透镜出射光的发散角；以及

中空聚光透镜组，设置于所述聚光透镜组影像输出光路上，用于接收该聚光透镜组所发出的光，并对边缘光做聚光处理。

2.根据权利要求1所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述中空聚光透镜组包括：

中空部，用于直接通过入射光的大部分光；以及

折射部，用于使入射光的边缘光朝向中空部方向折射。

3.根据权利要求2所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述中空部的截面形状为矩形、圆形或者椭圆形；所述折射部的外表面形状为矩形、圆形、梯形或者弧形。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述聚光透镜组包括至少一个聚光透镜；所述中空聚光透镜组包括至少一个中空聚光透镜。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述折射透镜、聚光透镜组以及中空聚光透镜组为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜或者锯齿透镜。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述折射透镜、聚光透镜组以及中空聚光透镜组整合为一体。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述折射透镜向内凹陷形成用于容纳所述面发光元件的凹槽。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述面发光元件包括红光发光二极管芯片，蓝光发光二极管芯片以及绿光发光二极管芯片。

9.根据权利要求1至3任意一项所述的发光二极管光源装置，其特征在于，所述面发光元件包括蓝光发光二极管芯片以及用于吸收所述蓝光发光二极管芯片所发出的一部分光并转换成长波长光的荧光粉。

10.一种液晶投影设备，包括：

偏振分光器，用于把非偏振光转化为偏振光；

微液晶显示单元，用于把所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息；

投影透镜，用于接收携有图像信息的另一偏振光；

其特征在于，所述液晶投影设备还包括根据权利要求1至9中任意一项所述的发光二极管光源装置，用于输出所述非偏振光。

11.根据权利要求10所述的一种液晶投影设备，其特征在于，所述发光二极管光源装置与偏振分光器之间或者所述偏振分光器与投影透镜之间还设置有偏振片，用于把非偏振光转换为单一偏振状态的光。

12.根据权利要求10或11所述的一种液晶投影设备，其特征在于，所述微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于所述偏振分光器与发光二极管光源装置的非相邻的一侧。

13.根据权利要求10所述的一种液晶投影设备，其特征在于，所述微液晶显示单元为两片液晶面板，分别设置于所述偏振分光器的相邻两侧面上。

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