CN106773493B - 基于多色led的投影照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于多色LED的投影照明系统，由1个末级光源单元、2个以上的中间级光源单元、1个合色准直器和1个均光棒串联而成；有益的技术效果：本发明首先采用末级/中间级准直器将LED发出的光线进行整形，提高LED发出光线的能量利用率，然后通过合色准直器将多个LED合色后的光线进行二次整形，提高多基色LED合色后进入均光棒的能量利用率，以此提高多基色LED光源和均光棒投影照明系统的整体能量利用率，同时降低了开发和制造成本。

Description

基于多色LED的投影照明系统
技术领域
本发明涉及投影显示技术领域，具体为基于多色LED的投影照明系统。
背景技术
近年来，随着LED光源亮度的不断提高，并且因其具有的使用寿命长、发热量小、无环境污染等优点，正逐渐取代超高压汞灯并作为新型投影照明光源。对于投影照明光路来说，其主要功能是光源发出的光束通过投影照明光路可以实现能量的高效传输并且提供均匀的、具有一定形状的照明光斑。因而对于基于LED光源的投影照明光路来说，能量的高效传输和能够被后续光学系统高效利用是关键。
目前，基于LED光源的投影照明光路根据其采用的均光整形器件可以分为均光棒方案和复眼透镜方案。
对于均光棒均光照明系统，均光棒在光束均光传输过程中能量利用率较高，但由于其尺寸较小并且对于入射方棒光线的角度要求，采用LED光源作为投影光源时，通常多色合光后的光斑尺寸较大，进入均光棒并能被后续光学系统利用的有效角度内的能量较少，导致多色光LED投影光源配合均光棒的照明系统的效率较低，目前理论上基于均光棒均光的LED投影照明系统的收集效率为LED出射能量的40％。因此，目前通常是采用复眼透镜作为多色光LED光源的均光器件。
但和均光棒相比，复眼透镜成本较高，设计难度较大。
因此，本专利针对方棒在投影照明系统使用中存在的能量利用效率低的情况，设计新的基于多色光LED投影照明系统，有效提高投影照明系统对LED光源出射能量的高收集效率，同时降低投影照明系统的开发和制造成本。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种针对多基色LED光源的均光棒均光的投影照明系统，该技术针对现有多基色LED光源准直合色后进入均光棒均光光路存在的能量传输效率和利用率较低的问题，提出一种采用二次收集的技术方案，首先采用末级/中间级准直器将LED发出的光线进行整形，提高LED发出光线的能量利用率，然后通过合色准直器将多个LED合色后的光线进行二次整形，提高多个LED合色后进入均光棒的能量利用率，以此提高多色LED光源和均光棒投影照明系统的整体能量利用率，同时降低开发和制造成本。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
基于多色LED的投影照明系统，由1个末级光源单元1、2个以上的中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。其中，
末级光源单元1的出光端面的中心、中间级光源单元2的出光端面的中心、合色准直器3的轴心和均光棒4的轴心均位于同一直线上。所述均光棒4为矩形。
所述末级光源单元1由末级LED光源11和末级准直器12组成。其中，末级LED光源11出光方向的中心线与末级准直器12出光方向的中心线相互重合。将末级LED光源11中心线定义为主光轴线。
所述中间级光源单元2包括中间级LED光源21、中间级准直器22和中间级二向色镜23。其中，中间级LED光源21出光方向的中心线与中间级准直器22出光方向的中心线相互重合。中间级准直器22的出光面与中间级二向色镜23呈45°角，且中间级光源单元2的中心即为中间级光源单元2中二向色镜23的中心。
末级LED光源11出光方向的中心线、末级准直器12出光方向的中心线、中间级二向色镜23的中心、合色准直器3的轴心和均光棒4的轴心均与主光轴线相互重合。
末级准直器12的出光面与主光轴线相互垂直。末级准直器12的出光面与中间级二向色镜23呈45°夹角。相邻的中间级二向色镜23之间相互平行。
通过末级准直器12、中间级准直器22和中间级二向色镜23的共同作用，将末级LED光源11、中间级LED光源21产生的光汇聚到主光轴线方向上，再通过合色准直器3聚焦到均光棒4的入射口。
合色准直器3是根据均光棒4的入光口径和入光角度以及前端末级光源单元1和中间级光源单元2出射的合光光束的光能量分布进行外形尺寸设计的。
进一步说，本发明所述的基于多色LED的投影照明系统的典型技术方案是：
由1个末级光源单元1、2个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。末级光源单元1中的末级LED光源11为蓝色LED。两个中间级光源单元2中的中间级LED光源21分别为红色LED和绿色LED。且绿色LED靠近合色准直器3，红色LED靠近末级光源单元1。
更进一步说，本发明所述的基于多色LED的投影照明系统，具体为：
末级光源单元1和中间级光源单元2中的LED光源为红色、绿色或蓝色LED，中间级光源单元2中的二向色镜与对应的红色、绿色、或蓝色LED的排列方式相匹配。合色准直器3的合色入射光弧面301面向均光棒4，合色出射光弧面302面向中间级光源单元2。
末级蓝色光源单元1的中心线作为投影照明系统主光轴线。
其中，末级蓝色光源单元1中的末级LED光源11与末级准直器12的间距L11由末级LED光源11的发光尺寸m和末级LED光源11出射的光线的临界角度
Figure BDA0001254086440000033
决定，且末级LED光源11位于末级准直器12光线入射端内。并且L11与m、
Figure BDA0001254086440000034
有如下函数关系：
沿着末级蓝色光源单元1出光方向放置中间级红色光源单元2，中间级红色光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是实现将中间级红色LED光源21经过中间级红色准直器22出射的准直光束反射和将末级蓝色光源单元1出射的准直光束透射。中间级红色光源单元2与末级蓝色光源单元1的距离为中间级红色光源单元2出光口径的一半。
其中，中间级红色光源单元2中的中间级红色LED光源21与中间级准直器22的间距L21由中间级红色LED光源21的发光单元直径m和中间级红色LED光源21出射的光线的临界角度
Figure BDA0001254086440000035
所决定，且中间级LED光源21位于中间级准直器22光线入射端内。并且L21与m、有如下函数关系：
Figure BDA0001254086440000032
沿着中间级红色光源单元2出光方向放置中间级绿色光源单元2，中间级绿色光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是实现将中间级绿色LED光源21经过中间级绿色准直器22出射的准直光束反射和将前端出射的红色、蓝色的准直光束透射。中间级绿色光源单元2与中间级红色光源单元2的距离为L22＝D22/2+D22’/2+2mm。其中D22是中间级绿色准直器出光口径，D22’是相邻的中间级红色准直器出光口径。
其中，中间级绿色光源单元2中的中间级绿色LED光源21与中间级准直器22的间距L21由中间级绿色LED光源21的发光尺寸m和中间级绿色LED光源21出射的光线的临界角度
Figure BDA0001254086440000037
所决定，且中间级LED光源21位于中间级准直器22光线入射端内。并且L21与m、
Figure BDA0001254086440000038
有如下函数关系：
Figure BDA0001254086440000041
延中间级绿色光源单元2出光方向放置合色准直器3，合色准直器3与相邻的中间级绿色光源单元2之间的间距为L3＝D22’/2+2mm。其中D22’是中间级绿色光源单元中准直器出光口径。
延合色准直器3出光方向放置均光棒4，合色准直器3与均光棒4之间的间距L4是由入射到合色准直器3的光束口径R和均光棒4的最大收集角度γ决定。设合色准直器3和均光棒4之间的距离为L4，L4＝R/tanγ+2mm。
进一步说，本发明所述的基于多色LED的投影照明系统的典型技术方案是：由1个末级光源单元1、3到40个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。末级LED光源11的波长、中间级LED光源21的波长不小于750nm。末级LED光源11和中间级LED光源21的发光波长为红外光波段，末级LED光源11和中间级LED光源21按照发光效率从低到高的顺序朝合色准直器3的方向排布。本多色光合色照明的投影照明系统具有红外光损耗小，对红外光整形效率高，红外光的利用率高的优点。
进一步说，本发明所述的基于多色LED的投影照明系统的典型技术方案是：由1个末级光源单元1、5到20个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。末级LED光源11的波长、中间级LED光源21的波长不大于300nm。即末级LED光源11和中间级LED光源21均为紫外光波段，末级LED光源11和中间级LED光源21按照发光效率从低到高的顺序朝合色准直器3的方向排布。本多色光合色照明的投影照明系统具有：紫外光的损耗低，能够对紫外光进行整形，紫外光的利用率高的优点。
现对本发明的设计机理、可行性阐述如下：
本发明中的末级准直器面型结构通过下述方法设计：
步骤S11：根据LED光源发光面积的对角线尺寸确定末级外弧面1201与末级入射直面1204的交点为QM，即交点QM＝(h，0)，则末级入射直面1204为起点QM＝(h，0)的线段，终点为该直线与末级入射弧面1203的交点。
步骤S12：令末级入射弧面1203与y轴的交点为P1(0，t)。
步骤S13：从O点发出的光源出射光线在末级入射弧面1203发生折射，根据LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角
Figure BDA0001254086440000042
确定光源出射光线发生折射的角度为 光源出射光线发生反射的角度为
Figure BDA0001254086440000045
本发明中
Figure BDA0001254086440000046
步骤S14：末级入射弧面1203是由m个点构成的点序列拟合成的曲线，点的个数m与将LED光源出射的角度为
Figure BDA0001254086440000051
的光线分成的份数有关，满足以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，i＝1～m，
Figure BDA0001254086440000052
的整数部分。
步骤S15：令LED发光角度为θi的光线入射到末级入射弧面1203时在Pi(xi，yi)点发生折射，折射光线垂直与x轴出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射角为θαi。经过末级入射弧面1203发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，折射角为θβi。末级入射弧面1203在Pi点处的切线Ti与水平方向夹角为θTi。
构成末级入射弧面1203轮廓的m个点的坐标均是通过下述公式迭代求出：
步骤S16：以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，θi+1＝θi+△θ，i＝1～m，
Figure BDA0001254086440000053
的整数部分。
步骤S17：当θ＝θi,即光源出射光线的角度为时θi，根据如下式可得到θTi：
Figure BDA0001254086440000054
步骤S18：根据θTi和此时光线与末级入射弧面1203的交点Pi(xi，yi)，可以得到Pi点的切线方程，如下式表示：
y＝tan(θTi)x+(yi-tan(θTi)xi)
步骤S19：当θ＝θi+1时，θi+1＝θi+△θ，此时过原点O的入射光线可由下式表示：
Figure BDA0001254086440000055
进而得到曲线末级入射弧面1203的下个坐标点Pi+1(xi+1，yi+1)。
以0°为起点，i从1到m，θ从θ1以△θ增加到θm时，通过上述迭代，得到
Figure BDA0001254086440000056
的整数部分对应的各点坐标值Pi(xi，yi)；最终将获得的P1(0,t)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)……Pm(xm,ym)一系列坐标点连起来拟合成曲线后，得到末级入射弧面1203。
步骤S20：末级入射外弧面1201是由n个点构成的点序列拟合成的曲线，n不小于10。设LED光源出射的角度
Figure BDA0001254086440000057
满足以
Figure BDA0001254086440000058
为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θj，j＝1～n，的整数部分。
步骤S21：令LED发光角度为θj的光线入射到末级入射直面1204时在Qj(h，yS2-j)点发生折射，折射光线在末级外弧面1201的Rj(xS3-j，yS3-j)点发生全反射。入射光线在末级入射直面1204处的入射角为θaj，折射角为θbj，在曲线末级外弧面1201的全反射角为θcj，由上文可知末级入射直面1204为垂直于x轴的直线，交点为QM(h，0)，故末级入射直面1204与x轴夹角θdj为90°。fj＇(x)为末级外弧面1201上的任意一点Rj(xS3-j，yS3-j)处的切线的斜率。
构成末级入射外弧面1204轮廓的n个点是通过下述公式迭代求出：
步骤S22：当光线入射角θ＝θj时，由几何光学原理可以得到下面公式：
步骤S23：末级外弧面1201上的一系列点可由下面方程组得到：
Figure BDA0001254086440000062
式中，(xS3-j，yS3-j)和(xS3-(j-1)，yS3-(j-1))表示曲线末级外弧面1201上相邻的两个点，(xS2-j，yS2-j)为末级入射直面1204上相应点坐标。根据上述计算，可以得到θ＝θj时，末级外弧面1201的点Rj(xS3-j，yS3-j)；
将获得的Rn(h，0)、Rn-1(xs3-(n-1),ys3-(n-1))、RN-2(xs3-(n-2),ys3-(n-2))……R1(xs3-1,ys3-1)一系列坐标点连起来得到末级外弧面1201。
本发明中的合色准直器面型通过下述方法设计：
合色准直器3的面型由合色入射光弧面301、合色出射光弧面302共2部分组成。
步骤S24：合色入射光弧面301、合色出射光弧面302均是由q个点拟合成的曲线。点个数q是由入射角在[0,γ°]范围内隔△ω角度分割的份数决定，q＝γ°/△ω的整数部分。
步骤S25：令从原点O发出的光线以ωk的角度出射，在合色入射光弧面301合色入射光弧面301的Uk(x1-k,y1-k)点发生折射，经过折射后的光线入射到合色出射光弧面302合色出射光弧面302的Vk(x2-k,y2-k)后准直出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射光线与合色入射光弧面301在交点Uk处切线的法线方向和水平方向的夹角为α1-k，经过合色入射光弧面301发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，经过C1的折射光线与水平方向的夹角为θ2-k，折射光线与合色出射光弧面302在交点Vk处切线的法线方向和水平方向的夹角为α2-k。
步骤S26：在[0,γ°]范围内，以0°为起点，将ω每隔△ω进行分割，获得一系列ωk，其中ωk+1＝ωk+△ω，k＝1～N，N＝γ°/△ω的整数部分。
步骤S27：当原点O出射光线的角度ω＝ωk时，联立如下公式可以计算出合色入射光弧面301和合色出射光弧面302上的点U2(x1-k,y1-k)、V2(x2-k,y2-k)。
Figure BDA0001254086440000071
重复上述方法，分别得到k＝1～q的整数部分对应的合色入射光弧面301和合色出射光弧面302上各点坐标值Uk(x1-k,y1-k)和Vk(x2-k,y2-k)。将合色入射光弧面301和合色出射光弧面302相应的坐标点U1(x1-1,0)、U2(x1-2,y1-2)、U3(x1-3,y1-3)……Uk(x1-k,y1-k)和V1(x2-1,0)、V2(x2-2,y2-2)、V3(x2-3,y2-3)……Vk(x2-k,y2-k)连线即为合色入射光弧面301和合色出射光弧面302。
有益的技术效果
针对目前现有多基色LED投影照明系统收集效率低的问题，本专利提出了一种多基色LED光源和投影照明系统，提出能量二次收集的思路，首先采用末级/中间级准直器将LED发出的光线进行整形，提高LED发出光线的收集效率和减少准直角度，然后通过合色收集器将多个LED合色后的光线进行再次整形，提高多个LED合色后进入均光棒的收集效率，以此提高多个LED光源和均光棒照明系统的整体能量利用率，减少了光学元件的数量，降低了开发和制造成本。通过仿真分析，设计的末级/中间级准直器对大尺寸LED芯片具有较好的收集效率和准直效果，收集效率在94％以上，准直半角在±8°以内。通过能量的二次收集思路以及在设计过程中采用末级/中间级准直器和合色准直器、均光棒的配合设计，系统的能量收集效率比现有多个LED投影照明系统收集效率提高20个百分点。
此外，本发明还提供紫外、红外的投影照明系统，具有较好的收集效率和准直效果，提高了多个LED光源和均光棒照明系统的整体能量利用率，减少了光学元件的数量，降低了开发和制造成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是对图1中的末级光源单元1的末级准直器12的局部示意图。
图3是对图1中的中间级光源单元2的中间级准直器22的局部示意图。
图4是对图1中的合色准直器3的局部示意图。
图5是本发明的另一种布局方式的示意图。
图6是对图1出光效果的模拟示意图。
具体实施方式
现结合附图详细说明本发明的结构特点与技术优点。
参见图1和5，基于多色LED的投影照明系统，由1个末级光源单元1、2个以上的中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。其中，
末级光源单元1的出光端面的中心、中间级光源单元2的出光端面的中心、合色准直器3的轴心和均光棒4的轴心均位于同一直线上。
所述末级光源单元1由末级LED光源11和末级准直器12组成。其中，末级LED光源11的中心线与末级准直器12的中心线相互重合。将末级LED光源11中心线定义为主光轴线。
所述中间级光源单元2包括中间级LED光源21、中间级准直器22和中间级二向色镜23。其中，中间级LED光源21的中心线与中间级准直器22的中心线相互重合。中间级准直器22的出光面与中间级二向色镜23呈45°角，且中间级光源单元2的中心即为中间级光源单元2中二向色镜23的中心。
末级LED光源11的中心线、末级准直器12的中心线、中间级二向色镜23的中心、合色准直器3的轴心和均光棒4的轴心均与主光轴线相互重合。
通过末级准直器12、中间级准直器22和中间级二向色镜23的共同作用，将末级LED光源11、中间级LED光源21产生的光汇聚到主光轴线方向上，再通过合色准直器3聚焦到均光棒4的入射口。
需要强调的是，本发明中的合色准直器3的曲面及外形尺寸是根据均光棒4的入光口径和入光角度以及前端末级光源单元1和中间级光源单元2出射的合光光束的光能量分布进行设计的。
进一步说，末级光源单元1与相邻的中间级光源单元2之间的间距L12由靠近末级光源单元1的中间级光学单元2中的中间级准直器22出光口径所决定，且大于中间级准直器出光口径的一半。进一步说，L12＝D22/2+2mm，其中D22是第一个中间级准直器出光口径。
相邻的两个中间级光源单元2之间的间距L22由靠近末级光源单元1一侧的中间级光学单元2中的中间级准直器22的出光口径和相邻的中间级准直器22的出光口径所决定，大于上述两个出光口径和的一半。进一步说，L22＝D22/2+D22’/2+2mm，其中D22是第一个中间级准直器出光口径。D22’是第二个中间级准直器出光口径。
合色准直器3与相邻的中间级光源单元2之间的间距L23由相邻中间级光学单元2中的中间准直器22的出光口径所确定，大于出光口径的一半。进一步说，L23＝D22’/2+2mm，其中D22’是第二个中间级准直器出光口径。
合色准直器3和均光棒4之间的间距L34＝R/tanγ+2mm，其中R是入射到合色准直器3的光束的口径。γ是能够被矩形均光棒4利用的光线最大收集角度。
进一步说，末级LED光源11和末级准直器12的相对位置为末级LED光源11和末级准直器12放置在同一个面上，并处于末级准直器12的内部空心结构的中心。
中间级LED光源21和中间级准直器22的相对位置为中间级LED光源21和中间级准直器22放置在同一个面上，并处于中间级准直器22的内部空心结构的中心。
中间级准直器22和中间级二向色镜23的间距应满足：中间级准直器22出射的准直光束能够被中间级二向色镜23完全反射到下一级的中间级光源单元2中。补充地说，由于中间级二向色镜的位置已经由前文中的公式确定下来了，故在同一个中间级光源单元2中，中间级准直器22在中间级二向色镜23的中心线外侧。
参见图1和2，进一步说，末级准直器12的截面由末级外弧面1201、末级出射平面1202、末级入射弧面1203、末级入射直面1204四部分组成，相互尺寸关系如下：
令末级外弧面1201与末级入射直面1204的交点为QM，即交点QM＝(h，0)，则末级入射直面1204为起点QM＝(h，0)的线段，终点为该直线与末级入射弧面1203的交点。
令末级入射弧面1203与y轴的交点为P1(0，t)。
从O点发出的光源出射光线在末级入射弧面1203发生折射，此时从O点发出光线的角度为为LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角；
末级入射弧面1203是由m个点构成的点序列拟合成的曲线，m不小于10，m与θ相对应；即点的个数m与将LED光源出射的角度为
Figure BDA0001254086440000102
的光线分成的份数相关：满足以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，i＝1～m，m为
Figure BDA0001254086440000103
的整数部分。
令LED发光角度为θi的光线入射到末级入射弧面1203时在Pi(xi，yi)点发生折射，折射光线垂直与x轴出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射角为θαi。经过末级入射弧面1203发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，折射角为θβi。末级入射弧面1203在Pi点处的切线Ti与水平方向夹角为θTi。
构成末级入射弧面1203轮廓的m个点的坐标均是通过下述公式迭代求出：
以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，θi+1＝θi+△θ，i＝1～m，
Figure BDA0001254086440000107
的整数部分。
当θ＝θi,即光源出射光线的角度为时θi，根据如下公式1可得到θTi：
Figure BDA0001254086440000104
根据θTi和此时光线与末级入射弧1203的交点Pi(xi，yi)，可以得到Pi点的切线方程，如下式表示：
y＝tan(θTi)x+(yi-tan(θTi)xi) (式2)
当θ＝θi+1时，θi+1＝θi+△θ，此时过原点O的入射光线可由下式表示：
Figure BDA0001254086440000105
联立式2和式3，得到曲线末级入射弧面1203的下个坐标点Pi+1(xi+1，yi+1)。
以0°为起点，i从1到m，θ从θ1以△θ增加到θm时，通过上述迭代，得到
Figure BDA0001254086440000106
的整数部分对应的各点坐标值Pi(xi，yi)。最终将获得的P1(0,t)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)……Pm(xm,ym)一系列坐标点连起来拟合成曲线后，得到末级入射弧面1203。
末级入射外弧面1201是由n个点构成的点序列拟合成的曲线，n由LED光源出射的角度θ所确定，n不小于10。设LED光源出射光线的角度
Figure BDA0001254086440000111
满足以
Figure BDA0001254086440000112
为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θj，j＝1～n，更进一步说，n为
Figure BDA0001254086440000114
的整数部分，本发明中
Figure BDA0001254086440000115
令LED发光角度为θj的光线入射到末级入射直面1204时在Qj(h，yS2-j)点发生折射，折射光线在末级外弧面1201的Rj(xS3-j，yS3-j)点发生全反射。入射光线在末级入射直面1204处的入射角为θaj，折射角为θbj，在曲线末级外弧面1201的全反射角为θcj，由上文可知末级入射直面1204为垂直于x轴的直线，交点为QM(h，0)，故末级入射直面1204与x轴夹角θdj为90°。fj＇(x)为末级外弧面1201上的任意一点Rj(xS3-j，yS3-j)处的切线的斜率。
构成末级入射外弧面1204轮廓的n个点是通过下述公式迭代求出：
当光线入射角θ＝θj时，由几何光学原理可以得到下面公式：
Figure BDA0001254086440000116
末级外弧面1201上的各点坐标可由下面方程组得到：
Figure BDA0001254086440000117
式中，(xS3-j，yS3-j)和(xS3-j-1，yS3-j-1)表示曲线末级外弧面1201上相邻的两个点，(xS2-j，yS2-j)为末级入射直面1204上相应点坐标。根据上述计算，可以得到θ＝θj时，末级外弧面1201的点Rj(xS3-j，yS3-j)。
将获得的Rn(h，0)、Rn-1(xs3-(n-1),ys3-(n-1))、RN-2(xs3-(n-2),ys3-(n-2))……R1(xs3-1,ys3-1)坐标点连起来得到末级外弧面1201。
参见图1和3，进一步说，中间级准直器22的截面由中间级外弧面2201、中间级出射平面2202、中间级入射弧面2203、中间级入射直面2204共4部分组成。
令末级外弧面2201与末级入射直面2204的交点为QM，即交点QM＝(h，0)，则末级入射直面2204为起点QM＝(h，0)的线段，终点为该直线与中间级入射弧面2203的交点。
令中间级入射弧面2203与y轴的交点为P1(0，t)。
从O点发出的光源出射光线在中间级入射弧面2203发生折射，此时设从O点发出光线的角度为
Figure BDA0001254086440000121
Figure BDA0001254086440000122
为LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角；优选的方案是，
Figure BDA0001254086440000123
中间级中间级入射弧面2203是由m个点构成的点序列拟合成的曲线，点的个数m与将LED光源出射的角度为
Figure BDA0001254086440000124
的光线分成的份数有关，满足以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，i＝1～m，
Figure BDA0001254086440000125
的整数部分。
令LED发光角度为θi的光线入射到中间级入射弧面2203时在Pi(xi，yi)点发生折射，折射光线垂直与x轴出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射角为θαi。经过中间级入射弧面2203发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，折射角为θβi。中间级入射弧面2203在Pi点处的切线Ti与水平方向夹角为θTi。
构成中间级入射弧面2203轮廓的m个点的坐标均是通过下述公式迭代求出：
以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，θi+1＝θi+△θ，i＝1～m，m为
Figure BDA0001254086440000129
的整数部分。
当θ＝θi,即光源出射光线的角度为时θi，根据如下公式可得到θTi：
Figure BDA0001254086440000126
根据θTi和此时光线与中间级入射弧面2203的交点Pi(xi，yi)，可以得到Pi点的切线方程，如下式表示：
y＝tan(θTi)x+(yi-tan(θTi)xi) (式7)
当θ＝θi+1时，θi+1＝θi+△θ，此时过原点O的入射光线可由下式表示：
联立式7和式8，得到曲线中间级入射弧面2203的下个坐标点Pi+1(xi+1，yi+1)。
以0°为起点，i从1到m，θ从θ1以△θ增加到θm时，通过上述迭代，得到
Figure BDA0001254086440000128
的整数部分对应的各点坐标值Pi(xi，yi)。最终将获得的P1(0,t)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)……Pm(xm,ym)一系列坐标点连起来拟合成曲线后，得到中间级入射弧面2203。中间级入射外弧面2201是由n个点构成的点序列拟合成的曲线，n不小于10，设LED光源出射光线的角度
Figure BDA0001254086440000131
n与θ的关系满足：以
Figure BDA0001254086440000132
为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θj，j＝1～n，n为
Figure BDA0001254086440000133
的整数部分,本发明中
Figure BDA0001254086440000134
令LED发光角度为θj的光线入射到末级入射直面2204时在Qj(h，yS2-j)点发生折射，折射光线在末级外弧面2201的Rj(xS3-j，yS3-j)点发生全反射。入射光线在末级入射直面2204处的入射角为θaj，折射角为θbj，在曲线末级外弧面2201的全反射角为θcj，由上文可知末级入射直面2204为垂直于x轴的直线，交点为QM(h，0)，故末级入射直面2204与x轴夹角θdj为90°。fj＇(x)为末级外弧面2201上的任意一点Rj(xS3-j，yS3-j)处的切线的斜率。
末级入射外弧面2204上n个点是通过下述公式迭代求出：
当光线入射角θ＝θj时，由几何光学原理可以得到下面公式：
Figure BDA0001254086440000135
末级外弧面2201上的各点坐标由下面方程组得到：
Figure BDA0001254086440000136
式中，(xS3-j，yS3-j)和(xS3-j-1，yS3-j-1)表示曲线末级外弧面2201上相邻的两个点，(xS2-j，yS2-j)为末级入射直面2204上相应点坐标。根据上述计算，可以得到θ＝θj时，末级外弧面2201的点Rj(xS3-j，yS3-j)。
将获得的Rn(h，0)、Rn-1(xs3-(n-1),ys3-(n-1))、RN-2(xs3-(n-2),ys3-(n-2))、……、R1(xs3-1,ys3-1)坐标点连起来得到末级外弧面2201。
参见图1和4，进一步说，合色准直器3的曲面形状是由均光棒4的入光口径和入光角度、前端末级光源单元1和中间级光源单元2出射光混合后的合光光束的光能量分布所决定的。即合色准直器的性能要和末级准直器、中间级准直器以及后续的均光棒相互匹配。
合色准直器3的截面由合色入射光弧面301、合色出射光弧面302共2部分组成，
合色入射光弧面301、合色出射光弧面302均是由q个点拟合成的曲线。点个数q是由入射角在[0,γ°]范围内隔△ω角度分割的份数决定，q＝γ°/△ω的整数部分。
令从原点O发出的光线以ωk的角度出射，在合色入射光弧面301合色入射光弧面301的Uk(x1-k,y1-k)点发生折射，经过折射后的光线入射到合色出射光弧面302合色出射光弧面302的Vk(x2-k,y2-k)后准直出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射光线与合色入射光弧面301的交点Uk处的法线方向和水平方向的夹角为α1-k，经过合色入射光弧面301发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，经过合色入射光弧面301的折射光线与水平方向的夹角为θ2-k，折射光线与合色出射光弧面302的交点Vk处切线的法线方向和水平方向的夹角为α2-k。
在[0,γ°]范围内，以0°为起点，将ω每隔△ω进行分割，获得一系列ωk，其中ωk+1＝ωk+△ω，k＝1～N，N＝γ°/△ω的整数部分。
合色入射光弧面301、合色出射弧面302的各点通过下述公式求出：
当原点O出射光线的角度ω＝ωk时，联立如下公式可以计算出合色入射光弧面301和合色出射光弧面302上的点U2(x1-k,y1-k)、V2(x2-k,y2-k)。
Figure BDA0001254086440000141
重复上述方法，得到k＝1～q的整数部分对应的合色入射光弧面301和合色出射光弧面302上各点坐标值Uk(x1-k,y1-k)、Vk(x2-k,y2-k)。将合色入射光弧面301和合色出射光弧面302相应的坐标点U1(x1-1,0)、U2(x1-2,y1-2)、U3(x1-3,y1-3)、……Uk(x1-k,y1-k)和V1(x2-1,0)、V2(x2-2,y2-2)、V3(x2-3,y2-3)……Vk(x2-k,y2-k)连线即为合色入射光弧面301和合色出射光弧面302。
参见图1，典型的方案是，由1个末级光源单元1、2个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。末级光源单元1中的末级LED光源11为蓝色LED。两个中间级光源单元2中的中间级LED光源21分别为红色LED和绿色LED。且绿色LED靠近合色准直器3，红色LED靠近末级光源单元1。
参见图1，更进一步说，中间级光源单元2中的二向色镜与对应的红色、绿色、或蓝色LED的排列方式相匹配。合色准直器入射光弧面301面向均光棒4，出射光弧面303面向中间级光源单元2。
末级蓝色光源单元1的中心线作为投影照明系统主光轴线。
其中，末级LED光源11和末级准直器12的相对位置为末级LED光源11和末级准直器12放置在同一个面上，并处于末级准直器12的内部空心结构的中心。
沿着采用蓝色LED的末级光源单元1出光方向放置采用红色LED的中间级光源单元2，采用红色LED的中间级光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是将采用红色LED的中间级LED光源21经过中间级准直器22出射的准直光束反射和将采用蓝色LED的末级光源单元1出射的准直光束透射。采用红色LED的中间级光源单元2与采用蓝色LED的末级光源单元1的距离为L12＝D22/2+2mm。其中D22是采用红色LED的中间级准直器出光口径。
其中，采用红色LED的中间级LED光源21和采用红色LED的中间级准直器22放置在同一个面上，并处于采用红色LED的中间级准直器22的内部空心结构的中心。
采用红色LED的沿着中间级光源单元2出光方向放置采用绿色LED的中间级光源单元2，采用绿色LED的中间级光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是将采用绿色LED的中间级LED光源21经过采用绿色LED的中间级准直器22出射的准直光束反射和将前端出射的红色、蓝色的准直光束透射。采用绿色LED的中间级光源单元2与采用红色LED的中间级光源单元2的距离为L22＝D22/2+D22’/2+2mm。其中D22是采用红色LED的中间级准直器出光口径，D22’是相邻的采用绿色LED的中间级准直器出光口径。
其中，采用绿色LED的中间级LED光源21和采用绿色LED的中间级准直器22放置在同一个面上，并处于采用绿色LED的中间级准直器22的内部空心结构的中心。
沿采用绿色LED的中间级光源单元2出光方向放置合色准直器3，合色准直器3与相邻的中间级绿色光源单元2之间的间距为L3＝D22’/2+2mm。其中D22’是采用绿色LED的中间级准直器出光口径。
延合色准直器3出光方向放置均光棒4，合色准直器3与均光棒4之间的间距L4是由入射到合色准直器3的光束口径R和均光棒4的最大收集角度γ决定。L4＝R/tanγ+2mm。
图6是采用图1结构的各光路的模拟示意图。
参见图5，进一步说，本发明由1个末级光源单元1、2到10个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。
末级LED光源11的波长、中间级LED光源21的波长不小于750nm。
末级LED光源11和中间级LED光源21的发光波长为红外光波段，末级LED光源11和中间级LED光源21按照发光效率从低到高的顺序朝合色准直器3的方向排布。
本多色光合色照明的投影照明系统具有红外光损耗小，对红外光整形效率高，红外光的利用率高的优点。
参见图5，进一步说，本发明由由1个末级光源单元1、2到10个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。
末级LED光源11的波长、中间级LED光源21的波长不大于300nm。
即末级LED光源11和中间级LED光源21均为紫外光波段，末级LED光源11和中间级LED光源21按照发光效率从低到高的顺序朝合色准直器3的方向排布。本多色光合色照明的投影照明系统具有：紫外光的损耗低，能够对紫外光进行整形，紫外光的利用率高的优点。
另一个优选的方案是：本投影照明系统，由1个末级光源单元1、3到40个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。
末级LED光源11的波长、中间级LED光源21的波长不小于750nm。
即末级LED光源11和中间级LED光源21均为红外光波段，末级LED光源11和中间级LED光源21按照发光效率从低到高的顺序朝合色准直器3的方向排布。本多色光合色照明的投影照明系统具有：红外光的损耗低，能够对红外光进行整形，能量利用率高的优点。
为了更清楚、明白地阐述本申请提供的技术方案，以下结合具体实施例进行详细说明。
实施例一
本发明实施例一提供的一种三色光合色照明的投影照明系统，其中末级光源单元1和中间级光源单元2中的LED光源为红色、绿色或蓝色LED，中间级光源单元2中的二向色镜与对应的红色、绿色、或蓝色LED的排列方式相匹配。合色准直合色入射光弧面301面向均光棒4，合色出射光弧面302面向中间级光源单元2。末级蓝色光源单元1的中心线作为投影照明系统主光轴线。
沿着末级蓝色光源单元1出光方向放置中间级红色光源单元2，中间级红色光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是实现将中间级红色LED光源21经过中间级红色准直器22出射的准直光束反射和将末级蓝色光源单元1出射的准直光束透射。中间级红色光源单元2与末级蓝色光源单元1的距离为中间级红色光源单元2出光口径的一半。
沿着中间级红色光源单元2出光方向放置中间级绿色光源单元2，中间级绿色光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是实现将中间级绿色LED光源21经过中间级绿色准直器22出射的准直光束反射和将前端出射的红色、蓝色的准直光束透射。中间级绿色光源单元2与中间级红色光源单元2的距离为L22＝D22/2+D22’/2+2mm＝(20/2+20/2+2)＝22mm。其中D22是中间级红色准直器出光口径，D22’是相邻的中间级绿色准直器出光口径。
沿中间级绿色光源单元2出光方向放置合色准直器3，合色准直器3与相邻的中间级绿色光源单元2之间的间距为L3＝D22’/2+2mm＝(20/2+2)＝12mm。其中D22’是中间级绿色准直器出光口径。
沿合色准直器3出光方向放置均光棒4，合色准直器3与均光棒4之间的间距L4是由入射到合色准直器3的光束口径R和均光棒4的最大收集角度γ决定。设合色准直器3和均光棒4之间的距离为L4，L4＝R/tanγ+2mm＝8/tan30°+2＝15.8564mm。
由于LED光源的发光面积为3.2mm×2.6mm，辐射角度为0°～90°。均光棒入射端尺寸为6.7mm×3.8mm。为在均光棒入射端获得最大能量收集，需要对针对LED光源和均光棒设计相匹配的末级/中间级准直器和合色准直器，建立投影照明光路，具体包括下述步骤：
按本发明的方法获得末级/中间级准直器的面型结构：
步骤S11：根据LED光源发光面积的对角线尺寸确定末级外弧面1201与末级入射直面1204的交点为QM，即交点QM＝(3，0)，则末级入射直面1204为起点QM＝(3，0)的线段，终点为该直线与末级入射弧面1203的交点。
步骤S12：令末级入射弧面1203与y轴的交点为P1(0，3)。
步骤S13：从O点发出的光源出射光线在末级入射弧面1203发生折射，根据LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角
Figure BDA0001254086440000181
确定光源出射光线发生折射的角度为θ∈[0,30°]，光源出射光线发生反射的角度为θ∈[30°，90°]，；
步骤S14：末级入射弧面1203是由300个点构成的点序列拟合成的曲线，点的个数与将LED光源出射的角度为θ∈[0,30°]的光线分成的份数有关，满足以0°为起点，将θ每隔0.1°进行分割，获得一系列θi，i＝1～300，m＝0～30°/0.1°的整数部分。
步骤S15：令LED发光角度为θi的光线入射到末级入射弧面1203时在Pi(xi，yi)点发生折射，折射光线垂直与x轴出射，入射光线所在空间的介质折射率为1，入射角为θαi。经过末级入射弧面1203发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为1.494，折射角为θβi。末级入射弧面1203在Pi点处的切线Ti与水平方向夹角为θTi。
构成末级入射弧面1203轮廓的m个点的坐标均是通过下述公式迭代求出：
步骤S16：以0°为起点，将θ每隔0.1°进行分割，获得一系列θi，θi+1＝θi+0.1°，i＝1～300，m＝(0～30°)/0.1°的整数部分。
步骤S17：当θ＝θi,即光源出射光线的角度为时θi，根据如下式可得到θTi：
Figure BDA0001254086440000182
步骤S18：根据θTi和此时光线与末级入射弧面1203的交点Pi(xi，yi)，可以得到Pi点的切线方程，如下式表示：
y＝tan(θTi)x+(yi-tan(θTi)xi)
步骤S19：当θ＝θi+1时，θi+1＝θi+0.1°，此时过原点O的入射光线可由下式表示：
Figure BDA0001254086440000183
联立步骤S18、S19方程，得到曲线末级入射弧面1203的下个坐标点Pi+1(xi+1，yi+1)。
以0°为起点，i从1到300，θ从θ1以0.1°增加到30°时，通过上述迭代，得到i＝1～300的整数部分对应的各点坐标值Pi(xi，yi)。最终将获得的P1(0,3)、P2(0.00524，3)、P3(0.01047，3.00001)……(3.00000,5.19614)坐标点连起来拟合成曲线后，得到末级入射弧面1203。
步骤S20：根据末级入射外弧面1201是由n个点构成的点序列拟合成的曲线，n由LED光源出射的角度θ所确定。将LED光源出射的角度θ∈[30°，90°]，满足以0°为起点，将θ每隔0.1°进行分割，获得一系列θj，j＝1～n，n＝(90°-30°)/0.1°的整数部分。
步骤S21：令LED发光角度为θj的光线入射到末级入射直面1204时在Qj(xS2-j，yS2-j)点发生折射，折射光线在末级外弧面1201的Rj(xS3-j，yS3-j)点发生全反射。入射光线在末级入射直面1204处的入射角为θaj，折射角为θbj，在曲线末级外弧面1201的全反射角为θcj，由上文可知末级入射直面1204为垂直于x轴的直线，交点为QM(h，0)，故末级入射直面1204与x轴夹角θdj为90°。fj＇(x)为末级外弧面1201上的任意一点Rj(xS3-j，yS3-j)处的切线的斜率。
构成末级外弧面1201轮廓的n＝600个点是通过下述公式迭代求出：
步骤S22：当光线入射角θ＝θj时，由几何光学原理可以得到下面公式：
步骤S23：末级外弧面1201上的一系列点可由下面方程组得到：
Figure BDA0001254086440000192
式中，(xS3-j，yS3-j)和(xS3-(j-1)，yS3-(j-1))表示曲线末级外弧面1201上相邻的两个点，(xS2-j，yS2-j)为末级入射直面1204上相应点坐标。根据上述计算，可以得到θ＝θj时，末级外弧面1201的点Rj(xS3-j，yS3-j)。
将获得的R600(3，0)、R599(3.00523,0.005242)、R598(3.01047,0.010496)……R1(9.12989,9.50194)坐标点连起来得到末级外弧面1201。
按本发明的方法确认合色准直器的面型：
合色准直器3的面型由合色入射光弧面301、合色出射光弧面3022部分组成。
步骤S24：合色入射光弧面301、合色出射光弧面302均是由q个点拟合成的曲线。点个数q是由入射角在[0,30°]范围内隔0.1角度分割的份数决定，q＝30°/0.1的整数部分。
步骤S25：令从原点O发出的光线以ωk的角度出射，在合色入射光弧面301合色入射光弧面301的Uk(x1-k,y1-k)点发生折射，经过折射后的光线入射到合色出射光弧面302合色出射光弧面302的Vk(x2-k,y2-k)后准直出射，入射光线所在空间的介质折射率为1，入射光线与合色入射光弧面301在交点Uk处切线的法线方向和水平方向的夹角为α1-k，经过合色入射光弧面301发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为1.494，经过C1的折射光线与水平方向的夹角为θ2-k，折射光线与合色出射光弧面302在交点Vk处切线的法线方向和水平方向的夹角为α2-k。
步骤S26：在[0,30°]范围内，以0°为起点，将ω每隔0.1°进行分割，获得一系列ωk，其中ωk+1＝ωk+0.1°，k＝1～N，N＝30°/0.1°的整数部分。
步骤S27：当原点O出射光线的角度ω＝ωk时，联立如下公式可以计算出合色入射光弧面301和合色出射光弧面302上的点U2(x1-k,y1-k)、V2(x2-k,y2-k)。
Figure BDA0001254086440000201
重复上述方法，得到k＝1～300的整数部分对应的合色入射光弧面301和合色出射光弧面302上各点坐标值Uk(x1-k,y1-k)、Vk(x2-k,y2-k)。分别将合色入射光弧面301和合色出射光弧面302相应的坐标点U1(14,0)、U2(14.00001,0.024434)、U3(14.00004,0.048869)……U300(14.95762,8.60101)和V1(25,0)、V2(24.99990,0.034906)、V3(24.99970,0.069813)、……、V300(20.87949,9.96975)，坐标点连线即为合色入射光弧面301和合色出射光弧面302。
传统设计一般是前端LED准直器和后端的光线收集器件分开设计，以及LED准直器设计常采用两片或多片透镜准直LED出射光线，产生了一定的光能损失且准直角度在±10°，另外后端光线收集器件的收集效果较差，无法获得较小的汇聚光斑，最终整个照明系统效率在40％左右。本发明结合所使用的LED芯片以及后端的均光棒，设计用于准直的LED准直器和与之匹配使用的合色准直器，末级/中间级准直器对大尺寸LED芯片具有较好的收集效率和准直效果，收集效率在94％以上，准直半角在±8°以内。通过能量的二次收集思路以及在设计过程中采用末级/中间级准直器和合色准直器、均光棒的配合设计，系统的能量收集效率比现有多基色LED投影照明系统收集效率提高20个百分点。

Claims (2)

1.基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：由1个末级光源单元(1)、2个以上的中间级光源单元(2)、1个合色准直器(3)和1个均光棒(4)串联而成；
其中，
末级光源单元(1)的出光端面的中心、中间级光源单元(2)的出光端面的中心、合色准直器(3)的轴心和均光棒(4)的轴心均位于同一直线上；
所述末级光源单元(1)由末级LED光源(11)和末级准直器(12)组成；其中，末级LED光源(11)的中心线与末级准直器(12)的中心线相互重合；将末级LED光源(11)中心线定义为主光轴线；
所述中间级光源单元(2)包括中间级LED光源(21)、中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)；其中，中间级LED光源(21)的中心线与中间级准直器(22)的中心线相互重合；中间级准直器(22)的出光面与中间级二向色镜(23)呈45°角，且中间级光源单元(2)的中心即为中间级光源单元(2)中二向色镜(23)的中心；
末级LED光源(11)的中心线、末级准直器(12)的中心线、中间级二向色镜(23)的中心、合色准直器(3)的轴心和均光棒(4)的轴心均与主光轴线相互重合；
通过末级准直器(12)、中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)的共同作用，将末级LED光源(11)、中间级LED光源(21)产生的光汇聚到主光轴线方向上，再通过合色准直器(3)聚焦到均光棒(4)的入射口；
末级光源单元(1)与相邻的采用红色LED的中间级光源单元(2)之间的间距L12由靠近末级光源单元(1)的中间级光源单元(2)中的中间级准直器(22)出光口径所决定；L12＝D22/2+2mm；其中D22是采用红色LED的中间级准直器出光口径；
相邻的两个中间级光源单元(2)之间的间距L22由靠近合色准直器(3)一侧的采用绿色LED的中间级光源单元(2)中的中间级准直器(22)的出光口径和相邻的采用红色LED的中间级准直器(22)的出光口径所决定；L22＝D22/2+D22’/2+2mm；其中D22是采用红色LED的中间级准直器出光口径，D22’是采用绿色LED的中间级准直器出光口径；
合色准直器(3)与采用绿色LED的中间级光源单元(2)之间的间距L23由相邻中间级光源单元(2)中的中间级 准直器(22)的出光口径所确定；L23＝D22’/2+2mm；
合色准直器(3)和均光棒(4)之间的间距L34＝R/tanγ+2mm，其中R是入射到合色准直器(3)的光束的口径；γ是能够被矩形均光棒(4)利用的光线最大收集角度。
2.根据权利要求1所述的基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：
末级LED光源(11)和末级准直器(12)的相对位置为末级LED光源(11)和末级准直器(12)放置在同一个面上，并且末级LED光源(11)处于末级准直器(12)的内部空心结构的中心；
中间级LED光源(21)和中间级准直器(22)的相对位置为中间级LED光源(21)和中间级准直器(22)放置在同一个面上，并且中间级LED光源(21)处于中间级准直器(22)的内部空心结构的中心；
中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)的间距应满足：中间级准直器(22)出射的准直光束能够被中间级二向色镜(23)完全反射到下一级的中间级光源单元(2)中。
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