CN103502726A - 具有再循环的发光二极管阵列照明系统 - Google Patents

Abstract

具有再循环的发光二极管阵列照明系统。一种LED照明系统，包括多个LED模块和多个相应准直透镜，以提供升高的亮度。每个LED具有：至少一个LED芯片，该LED芯片具有发射光的发光区；以及再循环反射器。该反射器被定位成使来自发光区的光反射回LED芯片，并且该反射器具有透射孔径，发射的光通过该透射孔径出射。该准直透镜被排列成接收并准直LED模块出射的光。

Description

具有再循环的发光二极管阵列照明系统

相关专利申请的相互参照

本申请根据35U.S.C Section119(e)要求2011年2月23日提交的第61/445,574号美国临时专利申请的优先权的利益，在此通过引用将该美国临时专利申请合并于此。

技术领域

本发明涉及一种照明系统，并且更具体地说，本发明涉及一种LED照明系统。

背景技术

在照明应用中，特别是在诸如影院应用的要求高亮度的数字投影仪中，能够产生10,000或者以上流明的输出的弧光灯仍被认为是成本最有效的光源。激光是替换光源，但是要求相当的价格溢价。另一种可能的替换光源是发光二极管（LED），发光二极管可能成为理想的候选对象，因为超过20,000小时的寿命比弧光灯的寿命长几个数量级，因此导致较低的运行成本。

然而，LED的一个缺点是与弧光灯相比其亮度低。LED芯片例如可以产生低于1,000流明的输出。因此，需要提供一种改进的具有较高光输出的基于LED的光照明系统。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种高效LED照明系统包括多个LED模块和多个相应准直透镜，以提供升高的亮度。每个LED具有：至少一个LED元件，该LED元件具有发射光的发光区；以及再循环反射器。该反射器被定位成使来自发光区的光反射回LED元件，并且该反射器具有透射孔径，发射的光通过该透射孔径出射。该准直透镜被排列成接收并准直从LED模块出射的光。

附图说明

图1示出根据本发明一个方面具有再循环反射器的LED模块。

图2示出根据本发明一个方面具有LED模块阵列和相应准直透镜阵列的LED再循环照明单元。

图3A示出具有圆角的正六边形形状的准直透镜阵列的变型实施例。

图3B示出其中阵列的外周是圆形形状的具有圆角的正六边形形状的准直透镜阵列的又一个变型实施例。

图4示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的投影系统的原理图。

图5示出根据本发明另一个方面的采用LED再循环照明单元的投影系统的原理图。

图6示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的变型投影系统的原理图。

图7A和7B示出与图6的投影系统一起使用的光束尺寸改变器。

图8示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的LCD投影系统的原理图。

图9示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的LCOS投影系统的原理图。

图10A和10B示出与图8和9所示的投影系统一起使用的偏振回收系统。

具体实施例

图1示出包括LED模块4的LED再循环模块18和位于LED芯片/元件10前面的诸如再循环圈的再循环反射器6。再循环反射器6具有LED光所通过的透射孔径8。驱动电路3产生驱动电流，以驱动LED芯片/元件10。

LED模块4包括：至少一个LED芯片10，该LED芯片10通常是具有发射光的发光区的LED元件；以及衬底12，在该衬底12上附着芯片。发光区包括用于保护LED芯片10并且分配光的任选透明窗或者透镜7。LED芯片10还能具有用于产生特定颜色或者白色的莹光涂层。散热器5附着于衬底12上，以将热量带离LED芯片10。这种LED模块4例如是从Luminus Devices，Inc.of Billerica，Massachusetts可买到的。

LED芯片10可以是白色、单色或者多色的单片或者多片。对于特殊应用，可以这样排列它们，使得再循环反射器6的透射孔径8的光轴16通过也基本上处于再循环反射器的曲率中心附近的LED芯片的发光区的中心。通过涂敷的莹光物质，LED元件10可以发射诸如红色、绿色和蓝色的单色光或者发射白色光。发射角通常是180度或者小于180度。

根据特定照明应用，透射孔径8可以是圆形的、矩形的、方形的、六边形的或者其他形状的。再循环圈6相对于LED元件10以凹形方式弯曲。内表面14是反射面，以使射到内表面上的LED光反射回光源，即，LED元件10。通过对圈6的外表面或者内表面涂敷或者通过使分立的反射镜附着于该圈，能够提供反射面14。根据优选实施例，再循环圈6是相对于LED元件10中心的球面形状，使得该输出以单位放大率被反射回到自身。因此，其中LED元件10在自身上形成像的成像系统是高效的。有利的是，入射到内球面反射面14上的基本上全部LED光都被反射回光源，即，LED元件10的发光区。

如本领域内的技术人员能够明白的，不通过传统照明系统的透射孔径的任何LED光都将永远丢失。然而，利用弯曲反射面14，本发明的LED照明系统允许回收已经丢失的大量的光。例如，在其透射孔径尺寸捕获约20％的发射光的照明系统中（即，80％的原始光输出被反射回LED芯片10用于再循环），能够实现超过80％的亮度升高。利用总输出为2,250流明的9平方毫米（发光区）白色LED模块（集光率（etendue）为30）以及在没有再循环反射器的情况下利用耦合到目标的20％输出，集光率将具有6的值和450流明的输出（2,250*20%），因为80％的原始光输出将丢失。然而，对于80％的再循环增益，在集光率同样为6的情况下，输出变成810流明（2250*20%＋2250*20%*80%）。

本发明中的LED模块4可以具有单个LED元件或者LED阵列。LED可以是白色的、单色的或者由单色或者多色的多个芯片构成。

对于大功率应用，可以采用如图2所示具有LED再循环模块18的阵列20和相应准直透镜28的阵列22的LED再循环单元。如图所示，LED再循环模块阵列20由紧密地位于最好同一个平面中的7个LED再循环模块18构成。在如图2所示的典型实施例中，每个再循环模块18都具有12平方毫米的发光区，并且以6个外模块围绕1个中心模块的正六边形方式，紧密定位这些模块。本发明中的术语“正六边形方式”指这样排列模块，使得通过每个外LED再循环模块18的中心画的直线限定正六边形。

附着于圆形支承板30上的7个相应准直透镜28的阵列22位于LED再循环模块18的前面，以使从再循环模块出射的光准直。优选地，为了效率最大化，每个准直透镜28的光轴与相应再循环模块18的光轴16对齐。支承板30本身又被附着于共用散热器24上。

LED再循环模块阵列20安装于带散热片的共用散热器24上，该散热片用于消除所有LED模块18产生的热量。共用散热器24与所有LED模块4的单独散热器5热连通，并且优选地接触。附着于共用散热器24的风扇26将来自散热器的热量消散到空气中。

在图2中，准直透镜28被示为圆形形状。由于为了高效，再循环反射器6的孔径8应当与相关准直透镜28的形状匹配，所以孔径也应当是圆形的。

然而，为了效率最大化，重要的是减小准直透镜28之间的间隙。因此，在变型实施例中，准直透镜28和它们的再循环反射器6的相关孔径8通常是正六边形的形状，即，任意两个相邻边之间的所有角度都是120度。该形状或者是严格的正六边形（准直透镜28和相关孔径8二者）或者是带圆角38的正六边形（准直透镜28和相关孔径8二者）。圆角38可以是圆形形状。

如果光源是点光源，则准直透镜28和相关孔径8二者的形状都可以是正六边形形状。然而，由于光源（发光区）不是点光源，所以由于相对大的发光区，孔径8的周边在准直透镜28中产生阴影。在这种情况下，如图3A所示，准直透镜（和相关孔径8）的形状是带圆角38的正六边形更有效。

作为一种选择，在一些应用中，当如图3B所示，透镜阵列的外周是圆形时，希望仅在透镜阵列的内侧具有带圆角的正六边形形状。换句话说，当外透镜部分地是六边形而部分地是圆形时，中心准直透镜28是具有圆角的正六边形形状。这样做的额外好处是降低制造成本，因为要执行的切削数量少。

尽管在一个实施例中，通过抛光各透镜制成透镜阵列22，但是通过注塑模制，能够将整个透镜阵列制成单个件，这样显著降低制造成本。根据应用，透镜阵列可以是模制的玻璃或者塑料。

在变型实施例中，还能够利用以正六边形方式排列的19个LED再循环模块18的阵列以产生甚至更大的亮度。在这种情况下，与前面的实施例中相同，中心再循环模块由6个中间模块包围，并且这6个中间模块再由12个最外模块包围，使得通过每个最外模块的中心的画的直线限定正六边形。在该实施例中，19个相应准直透镜28的阵列位于LED再循环模块18的前面。7个LED再循环模块阵列20的透镜28和孔径8的形状和排列也适用于19个LED再循环模块阵列。

图4示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的投影系统的原理图。

投影系统40包括：7－LED再循环单元2、聚焦透镜32、光管34和诸如DLP引擎的投影引擎36。7－LED再循环单元2输出的准直光由聚焦透镜32聚焦并且被输入到光管34。然后，光管34的输出被输入到投影引擎36。投影引擎36将静止图像或者运动图像投影到屏幕上（未示出）。

下面的表1列出采用图4的本发明的可能的投影机输出。

表1

白色LED（发光区：12平方毫米，4.6mm×2.6mm）	输出流明
		E=40的输出	3,000
E=10的输出（25％耦合到目标）	750
		再循环增益	80％
再循环情况下的输出	1,350
		E=70的7LED模块的输出	9,450
3－DLP机的效率	35％
		投影机输出	3,308

从上表可以看出，具有集光率＝40的12平方毫米的发光区的示例性白色LED芯片会具有3,000流明的输出。如果假定仅捕获25％的发射光，则对于10的集光率，输出降低到750流明。在不采用再循环反射器的情况下，7LED芯片的输出将是3750流明。

然而，通过利用本发明的再循环技术，输出增加80％。本发明的每个LED再循环模块18输出1350流明，而非750流明，从而利用7个LED再循环模块18的情况下，产生9450流明的输出。对于假定效率为35％的3芯片（数字光处理）引擎，投影机输出为3308流明。

图5示出根据本发明另一个方面的采用LED再循环照明单元的投影系统的原理图。在图4的投影系统40采用单个LED再循环模块时，图5的投影系统50采用3个分立LED再循环单元2：红色LED再循环单元42，采用7个红色LED芯片的阵列；绿色LED再循环单元44，采用7个绿色LED芯片；以及蓝色LED再循环单元46，采用7个蓝色LED芯片的阵列。

滤光合成器48通过来自红色LED再循环单元42的红色光，而阻挡并且反射绿色光。滤光合成器49通过来自红色和绿色LED再循环单元42和44的红色光和绿色光，而阻挡并且反射蓝色光。因此，合成器48和49将红色、绿色和蓝色组合在一起，并且奖它们传输到聚焦透镜。在一个实施例中，每个滤光合成器都是由两个棱镜和位于它们之间的滤光器构成的立方棱镜。优选地，立方棱镜的所有侧面都被抛光，以便作为波导起作用，从而以最低损耗有效传送来自LED再循环单元42至46的准直光。

下面的表2列出采用图5的本发明的可能的投影机输出。

表2

表2中的数字是基于德国的Osram Opto Semiconductors GmbH生产的RGB LED芯片、1.24英寸DLP芯片以及F/2.4投影机输出透镜。在不采用本发明的情况下，7LED模块的输出是12288.5（来自红色的3920，来自绿色的7371和来自蓝色的997.5），并且最终投影机输出将是4301流明（12288.5的35％）。

然而，通过利用本发明的再循环技术，输出增加80％。红色、绿色和蓝色LED再循环单元42至46的总输出是18486流明，而非12289流明，并且最终投影机输出是6470流明，这相对于不采用本发明时的4301流明是巨大的改进。

图6示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元2的变型投影系统60的原理图。包括LED再循环单元2的照明系统60能够用于LCD（液晶显示器）和LCOS（硅上液晶）投影系统60。对于采用如图2所示的构造的白色LED系统，来自LED再循环单元2的输出平行光束被引导到反射偏振器52，该反射偏振器52通过一个偏振，而将另一个偏振反射到再循环单元2，从而进一步增强再循环单元2变的再循环作用。然后，使反射偏振器52的输出被引导到LCD或者LCOS投影引擎(projection engine)36。在这些系统中，LED再循环单元2替换标准弧光灯作为照明系统。

根据所使用的LCD板的尺寸，可能需要如图7所示来改变输出光束的光束尺寸。图7A示出将光束的截面尺寸减小预定量的光束尺寸改变器70。图7B示出将光束的截面尺寸增大预定量的光束尺寸改变器72。

图8示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的LCD投影系统78的原理图。

与图6不同，图8的照明系统采用输出红色光、绿色光和蓝色光的3个分立LED再循环单元42－46。根据需要，3个LED再循环单元42－46还可以含有图7A－7B所示的尺寸改变透镜系统70、72。投影系统78还包括红色、绿色、蓝色LCD成像板80、82、84和x－立方体88。x－立方体88将来自3个成像板80－84的照明的图像组合，并且使它们到达投影透镜系统86。

图9示出根据本发明一个方面的采用LED再循环照明单元的LCOS投影系统100的原理图。与图8相同，LCOS投影系统100包括输出红色光、绿色光和蓝色光的三色LED再循环单元42－46。根据需要，三个LED再循环单元42－46也可以含有图7A－B所示的尺寸改变透镜系统70、72。投影系统100还包括红色、绿色、蓝色LCOS成像板90、92、94、偏振分束器（PBS）96、97、98和x-立方体99。x-立方体99将来自3个成像板90－94的照明的图像组合，并且使它们到达投影透镜系统86。特别是，PBS97位于绿色LED再循环单元44的后面，而绿色LCOS成像板92位于PBS97的后面，使得由绿色LCOS成像板对来自绿色LED再循环单元的准直光成像，并且PBS97将成像的光反射到x-立方体99中。

如本技术领域内的技术人员众所周知，LCS和LCOS投影系统78、100采用偏振光。因此，可以将如图10A和10B所示的偏振回收系统添加到每个LED再循环单元42－46中。图10A示出具有反射偏振器52和波片102的实施例。未用的偏振被反射回LED再循环单元42－45，这样进一步增加再循环量，从而提高偏振光输出量。优选地，波片102是四分之一波片，使得反射光两次通过该波片，从而使光的偏振转动90度。

图10B示出包括PBS阵列102和插在LED再循环单元42－46与PBS阵列之间的复眼透镜阵列104的偏振回收系统。

在上面公开的所有实施例中，LED再循环单元中采用的每个LED模块18都可以具有单个大发光区，也可以具有较小LED的阵列，从而提供多个发光区。通常，可以采用非7个LED的阵列。例如，可以采用2个或者更多LED再循环模块18的阵列。当以蜂窝式紧密封装LED模块18时，围绕形成7LED阵列的单个LED模块封装LED模块的环。诸如在19个LED模块照明系统中的一个或者多个环还可以进一步被添加，以提高光输出。

上述公开内容意在说明问题，而非穷举。该说明书建议了许多修改、变更，并且本技术领域内的技术人员可以做出变型，而不脱离本发明的范围。熟悉本技术领域的技术人员能够识别与在此描述的具体实施例的其他等同。因此，本发明的范围并不局限于上述说明。

Claims (21)

1.一种发光二极管LED照明系统，包括：

至少一个LED再循环单元，包含：

多个LED模块，互相很接近地排列，每个LED模块包含：

至少一个LED元件，具有发射光的发光区；和

再循环反射器，具有：弯曲表面并且被定位成将来自所述发光区的所述光反射回所述LED元件；以及透射孔径，所述发射光从透射孔径出射；以及

多个准直透镜，每个被排列成接收并且准直从所述LED模块中的相关一个LED模块出射的光。

2.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中，所述多个LED模块包含：

中心LED模块；

六个LED模块，均匀间隔开并且被围绕所述中心LED模块排列。

3.根据权利要求2所述的LED照明系统，其中，以正六边形方式排列所述多个LED模块。

4.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中，至少一个所述准直透镜通常是正六边形形状。

5.根据权利要求4所述的LED照明系统，其中，所述至少一个准直透镜具有圆角。

6.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中，至少一个所述准直透镜和所述相关LED模块的所述透射孔径二者通常是正六边形形状。

7.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中，至少一个所述准直透镜的形状部分地是圆形的并且部分地是六边形的。

8.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中，

每个LED模块都包含第一散热器；

所述LED再循环单元包含与所述第一散热器热连通的共用散热器；和

风扇，附着于所述共用散热器。

9.根据权利要求1所述的LED照明系统，其中，所述多个准直透镜是单个模制件。

10.根据权利要求1所述的LED照明系统，还包括投影引擎，被定位成接收从所述LED再循环单元出射的光。

11.根据权利要求10所述的LED照明系统，其中，所述至少一个LED再循环单元包含：

第一LED再循环单元，产生准直红色光；

第二LED再循环单元，产生准直绿色光；

第三LED再循环单元，产生准直蓝色光；

光束合成器，将所述红色光、绿色光和蓝色光合成在一起。

12.根据权利要求10所述的LED照明系统，其中，所述投影引擎是DLP投影引擎，还包括：

聚焦透镜，位于所述LED再循环单元的前面；以及

光管，位于所述聚焦透镜的前面和所述DLP投影引擎的后面。

13.根据权利要求10所述的LED照明系统，其中，所述投影引擎是LCD或LCOS投影引擎，还包括位于所述投影引擎与所述至少一个LED再循环单元之间的偏振回收系统，

聚焦透镜，位于所述LED再循环单元的前面；以及

光管，位于所述聚焦透镜与所述DLP投影引擎之间。

14.一种发光二极管LED照明系统，包括：

至少一个LED再循环单元，包含：

共用散热器；

LED模块阵列，互相很接近地排列并且被安装到所述共用散热器，每个LED模块包含：

至少一个LED元件，具有发射光的发光区；

再循环反射器，具有：弯曲凹形表面并且被定位成将来自所述发光区的光反射回所述LED元件；以及透射孔径，

所述发射光通过该透射孔径出射；以及

准直透镜阵列，附着于所述共用散热器，每个准直透镜被排列成接收并且准直从LED模块中的相关一个LED模块出射的光，所述每个准直透镜的形状与所述相关LED模块的所述透射孔径的形状匹配。

15.根据权利要求14所述的LED照明系统，其中，所述LED模块阵列包含：

中心LED模块；

六个LED模块，均匀间隔开并且被以正六边形方式围绕所述中心LED模块排列。

16.根据权利要求15所述的LED照明系统，其中，至少一个所述准直透镜通常是正六边形形状。

17.根据权利要求14所述的LED照明系统，其中，至少一个所述准直透镜和相关LED模块的所述透射孔径二者通常是正六边形形状。

18.根据权利要求15所述的LED照明系统，其中，至少一个所述准直透镜的形状部分地是圆形的，并且部分地是六边形的。

19.根据权利要求14所述的LED照明系统，其中，所述多个准直透镜是单个模制件。

20.根据权利要求14所述的LED照明系统，还包括投影引擎，被定位成接收从所述LED再循环单元出射的光。

21.根据权利要求14所述的LED照明系统，其中，所述至少一个LED再循环单元包含：

第一LED再循环单元，产生准直红色光；

第二LED再循环单元，产生准直绿色光；

第三LED再循环单元，产生准直蓝色光；

光束合成器，将所述红色光、绿色光和蓝色光合成在一起。

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