CN102004385A - 一种高效led投影机用光路前端系统 - Google Patents

Abstract

一种高效LED投影机用光路前端系统，由LED发光部件、光场整理透镜、面型基板、变径(或等径)积分棒(需严格平行光场时用)等组成；曲面面型基板的聚焦型的LED发光部件组成公共焦点及积分棒整理光场型光源结构，经脉冲RGB分时发光处理，可开拓效率更高功率更大的LED光源，广泛用于DLP/LCD/LCOS投影机中。

Description

一种高效LED投影机用光路前端系统

本发明属光学—电子技术应用领域；确切的讲是一种led光场整形装置。

对于led光源，由于单一晶片的功率有限，对点阵排列就造成多点分布的面光源状态，因而光能利用率不高且也不易高亮度化。

本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，以RGB可分时脉冲(时序)的方式发光(也可以是白光led同步工作式)，在LED晶片的排不上采取间隔交错分布，3/4色(4色时含白色，甚至更多色LED)排列与同一面型基板上，应用几何光学原理，光场分布质量及亮度大大提高，可广泛应用于各种场合中。

本发明的特点：在以曲面面型基板及积分棒(亦即光导棒)整理光场时；可减少插入损耗，为投影机光路的简化创造优越条件。

本发明的技术关键：

由led发光晶片、光场整理透镜(选用器件，当led晶片的光线需要穿过折射率相差很大的介质时避免全反射回射，而造成光的出射损耗而需要透镜；当led晶片的光线穿过折射率相差不大的介质分界面时则无需选用光场整理透镜)、锥柱反射面、多级积分棒及承载基板等组成；基本工作原理为：当激发led发光晶片发光时，由于半导体发光区可以被看成近似点光源，每一个点光源经光场整理透镜(如果有)整理后，一部分直接射入多级积分棒光输入面，另一部分则射到锥柱反射面上再反射到多级积分棒光输入面上，如果在变径积分棒(小面积端为输入端)的传输下，随着积分棒柱面的多次反射，光线的扩散角会逐渐减小，最终在多级积分棒出射端出射时会得到一束较为良好的平行出射光束；其根本特征就在于：led发光晶片(可含广场整理透镜也可以不合)与(所耦合的)多级积分棒之间的(耦合区域)加工有锥柱反射面(锥角在0-90度之间，锥角0度时为纯柱面)；积分棒的锥角也是0-90度之间，积分棒可以是整体单一的，也可以是一段是单一的另一段则是由几个相对较细的多个细积分棒合并而成，2段的接口面的面积基本相等；(光导)积分棒的出射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面；(光导)积分棒的入射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面，而且即可以是单一入射口也可以是多个入射口；多入射口可对应R，G，B，W不同颜色的led晶片套件的光的输入。

积分棒阵的各棒的光线出射端面即可以是平行的(或共面)，也可以是非平行的组成内凹面(内凹面有利于效率的提高及长光程的光束均匀性的改善，因为多棒出射的整体汇聚与每个棒的3-10的发散配合起来，从几何光学的角度来说益处极大)，或者也可以增设透镜来完成。

以上所述的积分棒组件及led晶片套件可以是单一使用，也可以是多套合并使用，合并时用可根据需要将积分棒的输入端及输出端排列成平面或曲面(光线出射光束既有良好的平行度也有良好的均匀性，或者时良好的汇聚性质(焦点极小可直接耦合光路中的主积分棒)，使得投影机光路被大大简化)。

以上所述的积分棒组件的集合特征为：在大多数位置处，当用与积分棒的对称轴垂直的平面截积分棒，(当截面由输入端向输出端移动时)所得截面的面积渐渐增大。

另外一种表述参考：由led发光晶片、光场整理透镜、面型基板等组成；基本工作原理为：当激发led发光晶片发光时，由于半导体发光区可以被看成近似点光源，每一个点光源经光场整理透镜整理后，或是变成平行光线或是变成汇聚光线(有焦点)，面型基板是用来固定led发光晶片及透镜的(led与透镜可以是1体化的，平面面型基板可使led排列成平面分布；曲面面型基板可使led排列成曲面分布)，有必要时变径积分棒再可以用来进一步整理光场(获得更良好的平行度)，曲面排列的led阵列可使所有的聚焦点重合，平面排列的led阵列可再经聚焦透镜使所有的光线聚焦(当面型基板为平面时，可获得平行面光源之后再汇聚，当面型基板为球面时，可直接获得汇聚光源，方便的安装于光机中)；其技术的特征就在于：曲面聚焦光源结构为：将多个聚焦型的led发光晶片(含透镜组件)安装在曲面面型基板的内表面上(或平面基板上)，所有单独led的发光焦点都重合在一起，组成公共焦点(采用平面基板时再用透镜聚焦，必要时积分棒可再整理光场)；RGBS三色的LED晶片在面型基板上是交错排布的；各色LED的发光方式单色轮流脉冲发光方式或复色脉冲发光方式。

显然；多色脉冲LED光源投影机，自然是由多色脉冲LED光源、光机光路及电子线路等组成；基本工作原理为：当多色脉冲LED光源激发发光时，经过光路及电路部分的协同处理，转化成投影图像光，由镜头投射出去；其特征就在于：在投影机中使用了多色脉冲LED光源；投影机内部的像素光阀器件(LCD/DLP/LCOS)的图像内容的驱动节律(时序)与本技术的LED光源的脉冲发光方式(单色轮流脉冲发光方式或复色脉冲发光方式)同步。

补充的讲：构成本发明技术的结构的基本组成是由：led发光晶片、光场整理透镜(可选用件)、面型基板(用于固定led晶片的支撑构件，led晶片可以直接加工在其上，也可以使把加工好的独立led器件再安装在面型基板上)、变径(或等径)积分棒(需严格平行光场时用变径的)等组成；基本工作原理为：对于获取聚焦光源结构为：当激发led发光晶片发光时，由于半导体发光区可以被近似看成点光源，每一个点光源经透镜整理光场后，或是变成平行光线或是变成汇聚光线，面型基板是用来固定led发光晶片及透镜的(led与透镜可以是1体化的，平面面型基板可使led排列成平面分布；曲面面型基板可使led排列成曲面分布)，有必要时变径积分棒再可以用来进一步整理光场(以获得更良好的平行度)，曲面排列的led阵列可使所有的聚焦点重合，平面排列的led阵列可再经(一个大的统一的)聚焦透镜使所有的光线聚焦(当面型基板为平面时，通过各自led晶片前的小透镜可获得平行面光源之后再汇聚，当面型基板为球面时，可直接获得汇聚光源(聚焦小透镜汇聚各自的led晶片的光线)，方便的安装于光机中)；另一种情形是在led发光晶片前插入多个积分棒(可以一一对应)，整理光场后再进入投影机的光学通道中，通过光阀器件生成图像光而投射出去；因而(可获得2种光源内球面(及平面/透镜)聚焦型及积分棒整理光场型)；其特征就在于：曲面聚焦光源结构为：将多个聚焦型的led发光晶片(含透镜组件)安装在曲面面型基板的内表面上(或平面基板上)，所有单独led的发光焦点都重合在一起，组成公共焦点(采用平面基板时再用透镜聚焦)；另一种积分棒整理光场型光源结构为：由多个独立的(等径或变径)积分棒安装在面型基板的(led点阵)表面上的各个led发光晶片的发光表面上(可以是每一个独立(积分棒的小面积端彼此分离)的积分棒(的小截面端)，且独立耦合一个(独立)led发光晶片区，是led晶片与积分棒的一一对应耦合方式；也可以是将积分棒(小面积端彼此紧密靠近或紧密排列在一起)所组成的积分棒束与led发光面离开一定距离，即间隙耦合方式)，所耦合的光再由积分棒的另一端出射(积分棒的出射端(可以是较大截面端)可以是紧密排列的)，每一个积分棒的截面积可以是等截面的，也可以是入射端截面最小出射端最大(有利于平行度改善)；有积分棒导出的光线可以直接进入光路中使用也可以再经过另一级激光棒整理后使用；对于积分棒与led晶片一一对应的直接耦合方式的情况下，可以将较分散的led点阵的(大)面型基板集束成较小的发光面(且有良好的光分布立体角)。

上述积分棒可以是实心的介质组成也可以是由介质围成的空心的管道；积分棒的表面可以是介质的自然表面也可以是覆有其他介质层的表面。

(同一LED像素点引出的)每一根积分棒可以是单根组成，也可以是多根的复合体。

当RGB等聚焦的光线的聚焦点射到光机光路的主光导棒(用来传输并混合光线使出口广场的均匀性更好)，由主光导棒导出；此时色轮器件可以省去，因RGB分时发送。

彩色虑光片可以放置在RGB通道的中。

还需强调：积分棒的输入端区域的易集光方式为：即输入端区域可以是一个统一(或渐变)锥角的锥柱的小的底面区域，也可以是一个锥角突变(锥角增大)的急剧变细的输入端(输入面面积更小)；在输入端附近的锥柱侧面上即可以是透明表面也可以是覆盖有反射膜的表面。

以下结合附图对本发明的几个较佳实施例作进一步说明：

[图1]R，G，B及W光输入积分棒(光导)及其阵列结构示意图。

[图2]多级积分棒结构示意图。

[图3]典型的光机简化光路示意图。

[图4]一种优化热的聚焦通用投影机LED灯泡结构示意图。

[图5]LED晶片与积分棒耦合区基本结构示意图。

图示说明：

(1)led发光晶片(上有发光pn节)

(2)积分(光导)棒

(3)积分棒(光线)输入端(输入面)

(4)(led)面型基板

(21)积分棒(单芯)段

(22)积分棒(多芯)段

(23)积分棒(输入端)反射膜

(24)积分棒(输入端)锥柱面

(25)积分棒(输入端)入射面

(27)出射面

(31)积分棒

(32)led面型板

(33)led(pn结)发光区

(34)锥柱反射面载体

(35)，(36)光线

(37)锥柱反射面

(38)透镜

(41)(主)积分棒

(42)(led)积分棒

(43)led基板

(44)led面型基板

(45)，(46)，(47)光线

(51)DMD或lcos成像晶片

(52)镜头组件

(53)棱镜

(54)透镜

(55)(led)积分棒

(56)led面型基板

(57)，(58)(59)光线

如图1所示：

积分棒(光线)输入端(3)有多个输入面--5，每一个输入面--5都对应一个led发光晶片上的(各色的R/G/B/W的发光pn节)(1)；多色的LED都被承载在(led)面型基板(4)上，积分(光导)棒(2)完成对各色led光的混合及均匀其光场。

积分棒(光导)的几何特点是：大部分段中都是在沿光线传输的方向其界面渐渐增大(截面的形状过渡是光滑过渡形式)。

多个积分棒(2)可以紧密排列一起(形成积分棒阵列)，led发光晶片由于散热的限制，不可能过密。经棒(2)的出射端面出射的光束，无论R，G，B，W(白)颜色的LED哪一个发光，经输入端(3)输入，积分棒(5)都能将其均匀(且在3-10度的发散角度下)且平行的出射。

如图2所示：

(21)为积分棒(单芯)段，(22)为积分棒(多芯)段；(23)是积分棒(输入端)反射膜，(24)是积分棒(输入端)锥柱面，(25)是积分棒(输入端)入射面；图中的多芯段可由4芯组成，合并时最好选取低射率的光学胶粘接。

光线由(25)面入射，大散射角度的光线将射到锥面上，被反射后也改变为小散射角的光线。积分棒的多芯段有利于出射光的散射角的减小，平行度更好。

(26)为多芯段(22)中的一芯(共4芯)；(27)为出射面(共4个；每一个芯有1个出射面)。

图2中，输入端(24)是一个锥角突变(锥角增大)的急剧变细的状态(输入面面积更小)，大角度的锥面有利于光能的收集；在输入端附近的锥柱侧面上即可以是透明表面也可以是覆盖有反射膜的表面。

如图3所示：

锥柱反射面载体(34)上的锥柱反射面(37)反射来自透镜(38)的大的发散角的光线(36)，(31)为积分棒(的一部分，输入端区域)，(32)为led面型板，(33)为led(pn结)发光区，(35)，(36)为光线。

该结构有利于将锥柱面(37)与(32)分离，工艺上易于实现，(35)为小散射角的光线。

如图4所示：

(led)积分棒(42)易于高效率的将led基板(43)上的PN结光线传输并平行化，棒的出射端的微凸形状可再略微汇聚，最后绝大部分光线(45)，(46)，(47)会聚焦于(主)积分棒(41)的入口，led面型基板(44)的大面积易于散热。

(44)上可以有间隔排布的R，G，B，W(白)颜色的LED晶片，时序发光可省去色轮部件。

由于外形及其一致，本图可直接替代现有汇聚型的UHP灯泡。

如图5所示：

由led面型基板(56)上的(led)积分棒(55)所构成的阵列所发出的光线(57)，(58)及(59)经透镜(54)的略微汇聚后直接由射到棱镜(53)上，在经DMD或lcos成像晶片(51)反射后由镜头组件(52)投射出视频投影图像。

(56)上的RGB及W(如果有的话)，产生时序色彩，由于棒(55)阵列的光束品质(良好的均匀度及平行度)极佳，再无需复杂的光学整形系统，极大的增加了效率(从目前的6％---10％增加到30％---40％以上)。

Claims (4)

1.一种高效LED投影机用光路前端系统，由led发光晶片、光场整理透镜(选用器件，当led晶片的光线需要穿过折射率相差很大的介质时避免全反射回射，而造成光的出射损耗而需要透镜；当led晶片的光线穿过折射率相差不大的介质分界面时则无需选用光场整理透镜)、锥柱反射面、多级积分棒及承载基板等组成；基本工作原理为：当激发led发光晶片发光时，由于半导体发光区可以被看成近似点光源，每一个点光源经光场整理透镜(如果有)整理后，一部分直接射入多级积分棒光输入面，另一部分则射到锥柱反射面上再反射到多级积分棒光输入面上，如果在变径积分棒(小面积端为输入端)的传输下，随着积分棒柱面的多次反射，光线的扩散角会逐渐减小，最终在多级积分棒出射端出射时会得到一束较为良好的平行出射光束；其特征就在于：led发光晶片(可含广场整理透镜也可以不含)与(所耦合的)多级积分棒之间的(耦合区域)加工有锥柱反射面(锥角在0-90度之间，锥角0度时为纯柱面)；积分棒的锥角也是0-90度之间，积分棒可以是整体单一的，也可以是一段是单一的另一段则是由几个相对较细的多个细积分棒合并而成，2段的接口面的面积基本相等；(光导)积分棒的出射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面；(光导)积分棒的入射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面，而且即可以是单一入射口也可以是多个入射口；多入射口可对应R，G，B，W不同颜色的led晶片套件的光的输入；积分棒阵的各棒的光线出射端面即可以是平行的(或共面)，也可以是非平行的组成内凹面(内凹面有利于效率的提高及长光程的光束均匀性的改善)，或者也可以增设透镜来完成；积分棒的入口处可采区易集光方式。

2.如权力要求1所述光源；其特征就在于：所述的积分棒组件及led晶片套件可以是单一使用，也可以是多套合并使用，合并时用可根据需要将积分棒的输入端及输出端排列成平面或曲面(光线出射光束既有良好的平行度也有良好的均匀性，或者时良好的汇聚性质(焦点极小可直接耦合光路中的主积分棒)，使得投影机光路被大大简化)。

3.如权力要求1所述光源；其特征就在于：所述的积分棒组件的集合特征为：在大多数位置处，当用与积分棒的对称轴垂直的平面截积分棒，(当截面由输入端向输出端移动时)所得截面的面积渐渐增大。

4.如权力要求1所述光源；其特征就在于：所述的积分棒的输入端区域的易集光方式为：即输入端区域可以是一个统一(或渐变)锥角的锥柱的小的底面区域，也可以是一个锥角突变(锥角增大)的急剧变细的输入端(输入面面积更小)；在输入端附近的锥柱侧面上即可以是透明表面也可以是覆盖有反射膜的表面。

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