CN109194891B - 基于led光源的激光电视光学引擎系统及其激光电视 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于LED光源的激光电视光学引擎系统，其包括基于LED光源的合光光学系统以及折射式准直匀光系统，所述折射式准直匀光系统包括透镜一、透镜二及透镜三，所述合光光学系统发出的光线经过透镜一与透镜二出射的光为等效光源，所述透镜三的焦点与上述等效光源位置重合，从而使该光学引擎系统出射平行光，达到准直的效果。本发明巧妙的结合使用了三个特殊透镜，对其光线进行三次收光，从而使出射的光线满足激光电视光源高准直性和均匀性的要求，并且本发明采用包含有多颗LED芯粒排布矩阵的合光光学系统，作为其引擎系统的光源，从而得到了激光电视所需的高亮度白光。降低了激光电视的成本。

Description

基于LED光源的激光电视光学引擎系统及其激光电视
技术领域
本发明属于激光显示技术领域，具体涉及一种基于LED光源的激光电视光学引擎系统及其激光电视。
背景技术
“大、艳、清晰”是近几年我国彩电行业的整体发展趋势。2015年以来，彩电的平均尺寸以每年2英寸的趋势增长，根据中怡康的预测数据，2018年65英寸及以上大屏电视销量将达到453万台，同比增长47％，而80英寸以上市场的年度增幅更是将达到100％，实现翻番式增长。激光电视由于其纯度高、色域大、寿命长、节能环保、色彩鲜明、安全无辐射、屏幕尺寸灵活等优点，迎合了新的市场需求。仅2017年激光电视市场就以200％的增速快速增长，尤其在80英寸以上市场，激光电视销量占比更是达到了60％以上。相对于目前的普通电视来说，激光电视在未来电视市场中具有较大的发展前景。一个完整的激光电视光学系统组件必须包括激光器，光学偏转器和屏幕这几个组件。激光电视是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为光源，通过电视信号控制三基色激光扫描图像，经过显示系统进行相应的处理，从而最终将图像显示在屏幕上，再配以伴音构成电视接收机。激光电视色域覆盖率理论上可以高达人眼色域范围的90％以上。
然而，激光电视相对于液晶电视成本偏高，在整个产业的成本相对也较高。要实现大规模产业化生产，降低价格成本将是激光电视产业化亟待解决的问题。光源、投影芯片、超短焦镜头以及抗光幕布主要决定了激光电视的硬件成本，其中光学引擎占据了激光电视70％的成本。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明至少提供如下技术方案：
基于LED光源的激光电视光学引擎系统，其包括基于LED光源的合光光学系统以及折射式准直匀光系统，所述折射式准直匀光系统包括透镜一、透镜二及透镜三，所述合光光学系统发出的光线经过透镜一与透镜二出射的光为等效光源，所述透镜三的焦点与上述等效光源位置重合，从而使该光学引擎系统出射平行光，达到准直的效果。
进一步的，所述透镜一为半球形透镜，所述透镜二为平凸透镜，所述透镜三为双凸透镜。
进一步的，所述透镜一的半径为5-7mm。
进一步的，所述透镜二的曲率半径为10-15mm。
进一步的，所述透镜三的曲率半径为25-35mm。
进一步的，所述透镜三与所述透镜二的距离为3-5mm。
进一步的，所述透镜一与所述透镜二的距离为0.1-0.3mm。
进一步的，所述透镜一与所述LED光源的距离为0.05-0.15mm。
进一步的，所述基于LED光源的合光光学系统包括16颗LED芯粒，所述16颗LED芯粒包括5颗红色LED芯粒、10颗绿色LED芯粒以及1颗蓝色LED芯粒，所述芯粒混合排布，串联组成所述光源。
激光电视，其包括上述光学引擎系统。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果至少如下：
(1)本发明基于LED光源，设置了折射式准直匀光系统，对其包括LED光源的合光光学系统进行准直、匀光和缩束处理，巧妙的结合使用了三个特殊透镜，对其光线进行三次收光，从而使出射的光线满足激光电视光源高准直性和均匀性的要求。
(2)本发明采用低成本的LED光源替代价格昂贵的激光光源，极大的降低了激光电视的成本，并且其LED光源的使用具有使用寿命长、色域色彩范围广、响应速度快、发光指向性好、亮度衰减低、节能环保、驱动简单、光源能耗低等优点。
(3)本发明采用包含有多颗LED芯粒排布矩阵的合光光学系统，作为其引擎系统的光源，从而得到了激光电视所需的高亮度白光。降低了激光电视的成本。
附图说明
图1是本发明实施例的光学引擎系统结构示意图。
图2是本发明实施例的光学引擎系统出射光线示意图。
图3是本发明实施例的激光电视原理示意图。
图4是本发明实施例的合光光学系统中16颗LED芯粒排布示意图。
附图标记：1是LED光源，2是透镜1,3是透镜2,4是透镜3,5是基于LED光源的光学引擎系统，6是出射光线，7是DMD芯片，8是镜头组件，9是投影屏幕，10是基板，11是器件正电极，12是器件负电极，13是P电极，14是芯粒发光区，15是n电极，16是单颗LED芯粒，17是串联各个芯粒的导线。
具体实施方式
下面将结合附图来对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种基于LED光源的激光电视光学引擎系统，该光学引擎系统包括了基于LED光源的合光光学系统以及折射式准直匀光系统。该光学系统包括LED光源，该折射式准直匀光系统包括透镜一、透镜二以及透镜三，所述合光光学系统发出的光线经过透镜一与透镜二出射的光为等效光源，所述透镜三的焦点与上述等效光源位置重合，从而使该光学引擎系统出射平行光，达到准直的效果。
该透镜一可为一半球形透镜，该透镜二具体可为一平凸透镜，该透镜的材料可以为透明玻璃。该透镜三具体可为一双凸透镜。光线遵从斯涅耳定律--入射角的正弦与折射角的正弦之间的比值是一定的，入射光线、折射光线与法线三线位于同一平面，即：
n1sinθ1＝n2sinθ2 式(1)
其中n1、n2分别为介质1、介质2的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角。对于空气，折射率为1；对于透明玻璃，折射率为1.5。
通过这三个透镜，对其LED光源进行三次收光处理，降低其LED光源的发散角。LED光源的总发射角约为150°。根据斯涅耳定律，光线从透镜一底部进入透镜一经折射后，出射角度在80°左右。经过透镜一后出射光线发射角明显减小。光线经过透镜二后，出射角度约50°，经过上述两个透镜后，光线的发散角显著减小，此时出射光呈现为一个等效光源，将透镜三放置在其焦点与其等效光源重合的位置，光线经过其第三个透镜后出射平行光。其中，透镜一与其LED光源的距离为0.05-0.15mm，透镜一与透镜二的距离为0.1-0.3mm，透镜三与透镜二的距离为3-5mm。
其中透镜一设置为球面，透镜二的两个面分别设置为球面和偶次非球面，并且适当减小透镜三的曲率半径，能够使该光学引擎系统得到均匀性高且面积较小的光斑，从而满足DMD芯片尺寸的要求。
普通单颗LED芯片的光通量为500lm，该光学系统的光能利用率约58％，即只有290lm的光通量能够入射到DMD芯片上。一般激光电视的亮度需要达到3000lm，因而需要多个LED芯片才能满足总的亮度要求。另外，激光电视需要RGB三基色混合得到白光。所以，我们在增加LED芯片数量的同时还需要利用三种不同波长的RGB三色光合成激光电视需要的白光。我们设计了16颗芯粒串联组成LED光源，并采用混合排布LED三色合光系统，以满足激光电视高光通量和所需白光的要求。
以下，将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，基于LED光源的激光电视光学引擎系统包括基于LED光源1的合光光学系统以及折射式准直匀光系统，所述折射式准直匀光系统包括半球形透镜2、平凸透镜3和双凸透镜4，其中其LED光源与其折射式准直匀光系统共轴，其中半球形透镜2设置于LED光源1的上方，半球形透镜2的设置可以最大限度的收集从光源发出的光线并且减小光线的发散角。
所述LED光源1为16颗芯粒按5(红):10(绿):1(蓝)的比例混合排布，串联组成的光源。单颗芯粒尺寸大小为0.85mm2-1.25mm2，优选1mm×1mm，总共4×4＝16颗，即总尺寸为4mm×4mm。其LED芯粒的形状可以是圆形、矩形或椭圆形。
所述半球型透镜2半径为6mm。所述平凸透镜3高7.5mm，长18mm，平凸透镜3与半球型透镜2的距离为0.1mm，该距离的设置有助于收集经过半球型透镜2出射的大部分光线，以提高光能利用率。光线经过所述半球型透镜2及所述平凸透镜3出射后，其发散角显著减少，此时出射光为等效光源。设置所述双凸透镜4的曲率半径为30mm，且所述双凸透镜4与所述平凸透镜3的距离为3.5mm。该距离的设置能够使所述双凸透镜4的焦点与上述等效光源位置重合，从而使该光学引擎系统出射平行光，达到准直的效果。由此可见，上述三个透镜组合而成的准直光学系统极大减小了LED光源的发散角，
如图2所示，接下来结合出射光线对本发明的光学引擎系统进行详细介绍，
图2给出了光学引擎系统出射光线示意图。当一束光入射到一个光滑的平面发生折射时，光线方向会改变。光线追迹即追踪光线经过反射和折射表面的路径，在光学系统设计和分析过程中必不可少。为方便描述光线追迹过程，将折射定律写成向量形式：
Figure BDA0001795898500000061
有了向量形式的折射定律之后，首先找到入射点，然后找出法线方向，最后确定折射方向。LED光源的发射角大概在150°，在LED光源上方放置半球型透镜可以有效的收集从光源发出的光线，提高光效。LED光源1发出的光线经过半球型透镜2后发射角在75°左右，然后经过平凸透镜3后发射角在50°左右。经过上述两个透镜后，光线的发散角显著减小，此时出射光视为一个等效光源。将双凸透镜4放置在其焦点与上述等效光源重合的位置，光线经过上述双凸透镜4后出射平行光，能够使出射的光达到准直的效果。
激光电视的原理图如图3所示。用红、绿、蓝三种LED芯片作为激光电视的光源1，经过该光学引擎系统5，将出射光线6经过准直、匀光和缩束之后投射到DMD芯片7上。然后经过反射到镜头组件部位8，最后投射到屏幕9上。
由于激光电视所需光源为白光，本实施例采用16颗芯粒按照一定的比例混合排布来形成其激光电视所需要的白光，接下来结合图4对其芯粒的排布做详细介绍，在本实施例的LED光源1中，其芯粒的排布如图4所示：基板10上设置有器件负电极12、器件正电极11以及16颗LED芯片，其16颗LED芯片按照5(红)：10(绿):1(蓝)的比例混合排列成4×4的芯片矩阵，其中，器件负电极12与单颗LED芯粒通过导线连接，器件正电极11通过导线与单颗LED芯粒的P电极连接，LED芯粒的P电极通过导线17与相邻的LED芯粒串联连接，从而使上述芯片矩阵中的芯片呈现出如图4所示的弯折状的串联连接。
上述单颗芯粒光通量为500lm，该光学引擎系统的光效为0.58lm/W，16颗LED芯片串联后得到的光通量为4640lm，光斑均匀度为94％，光斑尺寸为22mm，得到的光为激光电视所需要的白光，上述16颗LED芯粒混合排布所组成的光源其均匀性以及亮度均满足了激光电视光源的要求。由上述16颗LED芯粒混合排布形成的光源结合本发明的折射式准直匀光系统构成了成本低、发光指向性好、亮度衰减低、节能环保、驱动简单、光源功耗低、发热量低的基于LED光源的光学引擎系统。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于LED光源的激光电视光学引擎系统，其特征在于，其包括基于LED光源的合光光学系统以及折射式准直匀光系统，所述折射式准直匀光系统包括透镜一、透镜二及透镜三，所述合光光学系统发出的光线经过透镜一与透镜二出射的光为等效光源，所述透镜三的焦点与上述等效光源位置重合，从而使该光学引擎系统出射平行光，达到准直的效果；
所述透镜一为半球形透镜，所述透镜二为平凸透镜，所述透镜三为双凸透镜；
所述基于LED光源的合光光学系统包括16颗LED芯粒，所述16颗LED芯粒包括5颗红色LED芯粒、10颗绿色LED芯粒以及1颗蓝色LED芯粒，所述芯粒混合排布，串联组成所述光源。
2.根据权利要求1的所述光学引擎系统，其特征在于，所述透镜一的半径为5-7mm。
3.根据权利要求1的所述光学引擎系统，其特征在于，所述透镜二的曲率半径为10-15mm。
4.根据权利要求1的所述光学引擎系统，其特征在于，所述透镜三的曲率半径为25-35mm。
5.根据权利要求1的所述光学引擎系统，其特征在于，所述透镜三与所述透镜二的距离为3-5mm。
6.根据权利要求1的所述光学引擎系统，其特征在于，所述透镜一与所述透镜二的距离为0.1-0.3mm。
7.根据权利要求1的所述光学引擎系统，其特征在于，所述透镜一与所述LED光源的距离为0.05-0.15mm。
8.激光电视，其包括权利要求1-7之一的所述光学引擎系统。
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