CN102402111B

CN102402111B - 一种高亮度led照明匀光系统

Info

Publication number: CN102402111B
Application number: CN 201110387282
Authority: CN
Inventors: 杨西斌; 朱剑锋; 李蕊; 熊大曦
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102402111A

Abstract

本发明公开了一种高亮度LED照明匀光系统，其包括一高亮度LED模组，所述高亮度LED模组上设置有LED发光芯片，所述LED发光芯片的正前方设置有一匀光棒，所述匀光棒的正前方设置有一色轮，所述匀光棒包括一锥形结构部，所述锥形结构部的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸，所述锥形结构部的出射端面为矩形结构，所述矩形结构的长宽比为4:3或16:9，浮动范围10%以内。本发明的照明匀光系统不但可以大大提高LED光源的能量收集效率，并提高出射光均匀度，而且可以根据投影照明的需要，改变出射光斑的形状，缩小了耦合装置的体积，适合于投影领域，尤其是微投影领域对照明光源亮度和体积的要求。

Description

一种高亮度LED照明匀光系统

技术领域

本发明属于投影领域尤其是微投影领域，具体的说，涉及一种用于提高LED光源出射光均匀性及改变出射光斑形状的照明匀光系统。

背景技术

投影系统是将移动图像或者静止图片等信息投影到屏幕上，从而将特定的信息向人们进行展示的技术。随着信息社会的到来，投影显示技术进入了多样性的时代，近年来，微投影机由于其便携灵巧的特点，在商务投影领域获得了广泛的应用，获得了长足的发展，随着微投影芯片的出现，手机投影技术也正在快速的崛起。

目前，为了降低能耗、提高安全性，并适应投影领域尤其是微投影领域小型化的发展趋势，目前，LED光源，尤其是面发光的高亮度LED光源，正在逐步取代传统卤钨灯、氙灯等高能耗、短寿命的光源，获得了广泛的应用。高亮度LED光源具有启动时间短、亮度高、能耗低、体积小、寿命长、安全性高等优点，可以克服目前投影领域发展中面临的许多瓶颈，但是作为面发光光源，与传统光源的灯丝发光，气体放电发光相比具有许多不同的特点，集中表现在能量收集效率不高、光均匀度差等方面。

在传统的液晶投影显示系统中，柯勒照明是常采用的一种照明方式，它的工作原理如图1所示。光源经聚光镜前组成像在照明系统的视场光阑上；聚光镜前组经聚光镜后组成像于LCD板上，同时也把照明系统视场光阑成像在无限远处。柯勒照明中前组聚光镜称为柯勒镜，它得到了光源的均匀照明，经过聚光镜后组后成像在LCD板上，因此使LCD板得到均匀照明。

双排复眼透镜照明结构也是常用来为投影提供均匀照明的方式，如图2所示，复眼照明系统通常含有两排复眼透镜，每排复眼透镜由一系列小透镜组成，光源发出的光，经过双排复眼透镜和积分透镜，在液晶板上形成均匀照明。

单片式DLP投影显示系统通常采用具有椭球形反光碗的光源和方棒照明系统，光源发出的光经聚焦入射到方棒入射端，光线经过在方棒内的多次反射后，在方棒出射端形成均匀的矩形分布，进而由照明透镜组将方棒出射端成像在DMD表面，形成合适的照明区域。照明光经DMD调制反射后，经过投影物镜成像在屏幕上。其原理如图3所示。

上述传统的投影照明系统，均采用聚光透镜组来进行光耦合和均匀照明，这种方法采用了多个镜片组成的透镜组，大大增加了成本，而且体积比较大，很难符合仪器小型化的要求。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高亮度LED照明匀光系统，该照明匀光系统不但能有效提高LED光源的光能量提取效率，而且能够提高光照度均匀性，并使出射光斑符合投影领域对光斑形状的要求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：

一种高亮度LED照明匀光系统，其包括一高亮度LED模组，所述高亮度LED模组上设置有LED发光芯片，所述LED发光芯片的正前方设置由一匀光棒，所述匀光棒的正前方设置有一色轮，所述匀光棒包括一锥形结构部，所述锥形结构部的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸，所述锥形结构部的尺寸以接近光源尺寸为优，出射端面为矩形结构，所述矩形结构的长宽比为4:3或16:9，浮动范围10%以内。

进一步的，所述匀光棒还包括一矩形结构部，所述矩形结构部位于所述锥形结构部的入射端或出射端，并一体连接。

优选的，所述匀光棒通过硅胶粘接在所述LED发光芯片2的表面。

进一步的，所述LED发光芯片的正前方设置由一保护窗片，所述匀光棒通过硅胶粘接在所述保护窗片上。

优选的，所述匀光棒通过一定位板固定在所述高亮度LED模组上。

优选的，所述匀光棒为实心结构体，所述实心结构体为可见光波段高透过率的玻璃，所述定位板与所述匀光棒接触处设置有一层宽带高反膜。

优选的，所述匀光棒为空心结构体，所述空心结构体的内表面镀有一层宽带高反膜，所述定位板为矩形结构，所述匀光棒位于所述定位板的矩形腔内。

本发明的工作原理如下：

本发明的高亮度LED照明匀光系统包括高亮度LED模组，匀光棒及色轮，其中高亮度LED模组上设置由贴片式LED发光芯片构成的面发光光源，该面发光光源发出的光，主要集中在120o角范围内，同时在超过120o角范围内也都有能量分布，因此光照均匀度很差，不能满足投影照明的需求，但通过所述匀光棒的设置能够有效提取高亮度LED光源的光能量，提高能量耦合效率，降低光损失。

所述匀光棒，其入射口面积小于出射口面积，从LED发光面发出的光，经过匀光棒后，光出射角度被压缩，入射口与出射口面积比越小，角度压缩作用越明显，光束准直性越好。考虑角度耦合效率和面积耦合效率两个因素，选择合理的入射口和出射口面积比，可以实现最优的能量耦合效率。通过合理设计匀光棒出射端尺寸，形成匀光棒出射端矩形长宽比为接近或等于4:3或者16:9，因此该出射光斑还能够满足目前投影领域对照明光斑尺寸的要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中阵列状排列的贴片式LED发光芯片构成的高亮度LED光源，发光均匀度不高，但经过所述匀光棒件，光线在匀光棒中多次反射，起到了混光的效果，出射光均匀度明显提高，实现了传统柯勒照明或复眼透镜照明的匀光效果，同时体积与前两者相比大大缩小。

从本发明的照明匀光系统出射的光，可经过准直透镜、投影芯片、TIR棱镜、投影镜头，最终将信息投影到屏幕上。该照明匀光系统不但可以大大提高LED光源的能量收集效率，提高出射光均匀度，而且可以根据投影照明的需要，改变出射光斑的形状，缩小了耦合装置的体积，适合于投影领域，尤其是微投影领域对照明光源亮度和体积的要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为传统的柯勒照明方式的结构示意图。

图2为传统的复眼透镜照明方式的结构示意图。

图3为采用方棒的单片式投影显示系统示意图。

图4为本发明的一实施例的结构示意图。

图5为本发明的另一实施例的结构示意图。

图6为本发明的再一实施例的结构示意图。

图7为本发明的又一实施例的结构示意图。

图8为本发明的又一实施例的结构示意图。

图中标号说明：1、高亮度LED模组，2、LED发光芯片，3、锥形结构部，4、矩形结构部，5、定位板，6、宽带高反膜，7、色轮。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例1：

如图4所示，示出了一种高亮度LED照明匀光系统，其包括一高亮度LED模组1，所述高亮度LED模组1上设置有LED发光芯片2，所述LED发光芯片2的正前方设置由一匀光棒，所述匀光棒的正前方设置有一色轮7，所述匀光棒包括一锥形结构部3，所述锥形结构部3的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸，所述锥形结构部3的入射端面为矩形或者或其它形状，其尺寸以接近光源尺寸为优，出射端面为矩形结构，所述矩形结构的长宽比为4:3或16:9，浮动范围10%以内。

所述匀光棒还包括一矩形结构部4，所述矩形结构部4位于所述锥形结构部3的入射端或出射端，并一体连接。

所述匀光棒通过一定位板5固定在所述高亮度LED模组1上。

所述匀光棒为实心结构体，所述实心结构体为可见光波段高透过率的玻璃，所述定位板5与所述匀光棒接触处设置有一层宽带高反膜6。

本实施例的工作原理如下：

从高亮度LED模组1的LED发光芯片2中发出的光线，首先耦合到匀光棒的锥形结构部3，锥形结构部3的材料为可见光范围内高透过率的光学玻璃，其入射端面为矩形或者或其它形状，其尺寸以接近光源尺寸为优，该锥形结构入射端尺寸小于出射端尺寸，锥形结构部3通过对光线进行多次全反射，对多个芯片发出来的光进行了均匀混合，并且对光线角度有压缩作用，经过压缩后的光线进入匀光棒的矩形结构部4，匀光棒的锥形结构部3和矩形结构部4采用相同的材料，矩形结构部分4的主要作用是实现出射光斑长宽比为接近或等于4:3（或16:9），从而与后续系统中芯片尺寸相匹配，同时矩形结构部4为匀光棒提供了一个方便的固定面，定位板5的内表面在可见光波段镀宽带高反膜6，宽带高反膜6的作用是防定位板5与匀光棒接触的部分形成漏光，色轮7为投影系统中的分光器件，与匀光棒的出射面紧靠接触，从色轮7发出的光，通过准直透镜、投影芯片、投影镜头等，最终实现投影显示。

实施例2：

如图5所示，示出了一种高亮度LED照明匀光系统，其中与实施例1的主要区别是匀光棒的矩形结构部4在靠近LED发光芯片2的方向，这种结构与实施例1本质上相同，能量耦合效率相当，主要是匀光棒件的定位板5位置靠近高亮度LED模组1，改变了夹具的夹持方式。

实施例3：

如图6所示，示出了一种高亮度LED照明匀光系统，其中与实施例1的主要区别是匀光棒的结构发生了变化，其只有锥形结构部3构成，不包含矩形结构部4。锥形结构部3的入射端面为矩形或者或其它形状，其尺寸以接近光源尺寸为优，出射端面为矩形结构，所述矩形结构的长宽比为4:3或16:9（或近似的比例）。这种结构与实施例1本质上相同，能量耦合效率相当，主要是省略了匀光棒的矩形结构部4，同时改变了夹具的夹持方式。

实施例4：

如图7所示，示出了一种高亮度LED照明匀光系统，该结构的匀光棒为空心结构体，所述空心结构体的内表面镀有一层宽带高反膜6，所述定位板5为矩形结构，所述匀光棒位于所述定位板5的矩形腔内。

光线从高亮度LED模组1的LED发光芯片2中出射后，耦合到匀光棒，光纤在匀光棒中是通过宽带高反膜6的反射进行传输的，而不是实施例1与实施例2中光线在匀光棒中进行全反射进行传输的，该实施例中的定位板5做成矩形结构，采用特制的夹具进行夹持，匀光棒入射端面与出射端面尺寸与实施例1相同，从匀光棒出射的光按照与实施例1与实施例2相同的方式进行传输。

实施例5：

如图8所示，示出了一种高亮度LED照明匀光系统，其中匀光棒为空心结构体，与实施例4的主要区别是匀光棒的结构发生了变化，其只有锥形结构部3构成，不包含矩形结构部4。锥形结构部3的入射端面为矩形或者或其它形状，其尺寸以接近光源尺寸为优，出射端面为矩形结构，所述矩形结构的长宽比为4:3或16:9（或近似的比例）。这种结构与实施例4本质上相同，能量耦合效率相当，主要是省略了匀光棒的矩形结构部4，同时改变了夹具的夹持方式，夹具通过胶粘在高亮度LED模组上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高亮度LED照明匀光系统，其特征在于：包括一高亮度LED模组（1），所述高亮度LED模组（1）上设置有LED发光芯片（2），所述LED发光芯片（2）的正前方设置由一匀光棒，所述匀光棒的正前方设置有一色轮（7），所述匀光棒包括一锥形结构部（3），所述锥形结构部（3）的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸，所述锥形结构部（3）的出射端面为矩形结构，所述矩形结构的长宽比为4:3或16:9，浮动范围10%以内, 所述LED发光芯片（2）的正前方设置由一保护窗片，所述匀光棒通过硅胶粘接在所述保护窗片上。

2.根据权利要求1所述的高亮度LED照明匀光系统，其特征在于：所述匀光棒还包括一矩形结构部（4），所述矩形结构部（4）位于所述锥形结构部（3）的入射端或出射端，并一体连接。

3.根据权利要求1或2所述的高亮度LED照明匀光系统，其特征在于：所述匀光棒通过硅胶粘接在所述LED发光芯片（2）的表面。

4.根据权利要求1或2所述的高亮度LED照明匀光系统，其特征在于：所述匀光棒通过一定位板（5）固定在所述高亮度LED模组（1）上。

5.根据权利要求1或2所述的高亮度LED照明匀光系统，其特征在于：所述匀光棒为实心结构体，所述实心结构体材料为可见光波段高透过率的玻璃，所述定位板（5）与所述匀光棒接触处设置有一层宽带高反膜（6）。

6.根据权利要求1或2所述的高亮度LED照明匀光系统，其特征在于：所述匀光棒为空心结构体，所述空心结构体的内表面镀有一层宽带高反膜（6），所述定位板（5）为矩形结构，所述匀光棒位于所述定位板（5）的矩形腔内。