CN201221736Y - Led发光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种LED光源系统，包括n个LED偏振光源、n－1个偏振光合束装置，以及分别设置在相邻偏振光合束装置之间的光路上的n－2个偏振光转换装置，偏振光转换装置用于将入射的光束转换成具有同一偏振方向的线偏振光，n为整数，n≥2，第i个偏振光合束装置设在所述第i+1个LED偏振光源的输出光路上并与其相对应，i为整数，1≤i≤n－1；第1个LED偏振光源输出的光射到所述第1个偏振光合束装置中，所述第2－第n个LED偏振光源输出的光分别入射到与其对应的偏振光合束装置中；第j个偏振光合束装置输出的光束经过第j个偏振光转换装置后入射到第j+1个偏振光合束装置中，j为整数，1≤j≤n－2；由第n－1个偏振光合束装置输出的光束作为LED光源系统的输出光。

Description

LED发光系统

技术领域

本实用新型涉及光源照明领域，特别是涉及一种具有高亮度输出的LED发光系统。

背景技术

由于LED的节能性和环保性，LED光源作为指示和照明已成为研究热点。LED是一种低场型电致发光器件，它具有电压低、寿命长、体积小、能耗低和响应速度快等优点。在LED  投影显示系统中，如果只是增加LED的个数和发光面积，在增大LED的光通量的同时，光源的光学扩展量也会增大，不能对其亮度起到增强作用。目前LED光源主要技术方向就在于采用各种方法提高LED亮度。目前市场上的LED的亮度对于某些应用方面仍显不足，例如高功率的投影显示。目前提高LED光源流明数的方法大致有以下几种：

1.通过提高LED的输入电压和电流，来提高LED光源的亮度，这样会造成能耗提高、LED寿命降低、效率较大下降和制冷等相应问题。

2.采用循环腔进行多次反射来增强LED的亮度，但是总光源利用效率大幅下降。

3.采用光子晶格的LED，但是这种方法目前成本较高。

4.采用时分多路的LED输出光亮度增强方法。图1为普通LED输出光的波形。其中，纵坐标B为亮度，横坐标t为时间。波形a近似为直线，是LED在直流恒压电路驱动下输出的波形；波形b为同样的LED在高频振荡电路驱动下输出的波形。从图上的对比可以看到，同样的LED，波形b的峰值远大于波形a的值，甚至可能高出数倍，即LED在高频振荡电路驱动下输出光的亮度要高得多。然而，由于波形b为非连续波，存在一定的占空比，占空比＝τ/T，其中，τ为脉冲宽度，T为脉冲周期。时分多路的方法正是利用了这种特点，如图2所示的现有技术中的时分多路LED光源装置，将2个LED光源照向一个转动的轮盘，当轮盘转到具有反射功能的一半的时候，LED2被关闭，LED1发光并被反射，当轮盘转动到具有透射功能的一半的时候，LED1被关闭，LED2开启，并透射经过轮盘，与先前被反射的LED1的发光的光路重合。利用人眼在十分之一秒量级的时间上会将两个LED组合输出的光总计的特点，来增强视觉上的光强。

现今一些新兴LED应用经常要求LED光源输出偏振光。因为包括LED在内的大多数光源所发射的基本上为非偏振的光，所以通常需要插入单独的偏振装置。但是在一些系统中，偏振器仅仅透射一种偏振态(最多约为光源输出的一半)，并且吸收、散射或者用其它方式阻挡另一偏振态，浪费了一半以上的光源光输出。还有采用将一种偏振态反射和转换成另一种偏振态来进行回收利用，使得系统可以利用另外一半的光源输出。此外，还有采用在LED管芯内回收利用光、以及偏振转换机构，以提高LED光源装置对所选偏振态的光输出和亮度。

总之，目前增强LED的发光强度已经存在降低发光效率的问题，还要使LED转为偏振态，且不会浪费过多的光输出，目前尚未有能同时达到这两个效果的较好方法。

发明内容

因此，本实用新型的任务是克服现有技术的缺陷，从而提供一种实现多个LED或LED阵列高亮度输出的LED光源系统。

本实用新型提供了一种LED光源系统，其特征在于，包括n个LED偏振光源、n-1个偏振光合束装置，以及分别设置在相邻偏振光合束装置之间的光路上的n-2个偏振光转换装置，所述偏振光转换装置用于将入射的光束转换成具有同一偏振方向的线偏振光，n为正整数，且n≥2，并且所述第i个偏振光合束装置设置在所述第i+1个LED偏振光源的输出光路上并与其相对应，i为正整数，且1≤i≤n-1；

其中，所述第1个LED偏振光源输出的光射到所述第1个偏振光合束装置中，所述第2-第n个LED偏振光源输出的光分别入射到与其对应的偏振光合束装置中；所述第j个偏振光合束装置输出的光束经过第j个偏振光转换装置后入射到第j+1个偏振光合束装置中，其中，j为整数，且1≤j≤n-2；由第n-1个偏振光合束装置输出的光束作为所述LED光源系统的输出光。

上述LED光源系统中，还可以在所述第n-1个偏振光合束装置的输出光路上设置有第n-1个偏振光转换装置，用于将入射的光束转换成具有同一偏振方向的线偏振光。

上述LED光源系统中，所述LED偏振光源优选线偏振光源。

进一步的，优选所述第2-第n个LED偏振光源输出的线偏振光的偏振方向相同，且所述第1个LED偏振光源输出的线偏振光与所述第2-第n个LED偏振光源输出的线偏振光的偏振方向彼此垂直。

上述LED光源系统中，所述n个LED偏振光源皆为脉冲光源。

进一步地，上述LED光源系统中，优选所述n个LED偏振光源的脉冲频率相同。

更进一步的，优选所述n个LED偏振光源输出的脉冲时序都彼此错开。

更进一步的，优选所述n个LED偏振光源输出的脉冲峰值相同。

进一步地，上述LED光源系统中，优选所述n个LED偏振光源的脉冲宽度相同。

进一步地，上述LED光源系统中，其特征在于，优选所述n，使得n为最接近所述脉冲占空比的倒数的正整数。

进一步地，上述LED光源系统中，所述第i+1个LED脉冲光源的脉冲上升沿与所述第i个LED脉冲光源的脉冲下降沿同步。

上述LED光源系统中，所述偏振光合束装置优选PBS棱镜，所述偏振光转换装置优选包括双折射旋光器，例如1/2波片；所述偏振光转换装置还可以优选包括移动装置，并将所述双折射旋光器安装在所述移动装置上，当且仅当该偏振光转换装置所对应的入射光中相应偏振方向的偏振光脉冲到来时，所述移动装置将所述双折射旋光器移入光路中。

上述LED光源系统中，所述LED偏振光源优选包括LED或LED阵列，以及设置在所述LED或LED阵列输出光路上的起偏器。

进一步地，所述起偏器优选PBS偏光变换光学系统。

进一步地，所述LED或LED阵列与所述起偏器之间的光路上还优选设有光束整形装置，例如光束整形光锥或其他可以压缩LED出射光发散角的透镜或透镜组，或者将光束整形光锥与透镜或透镜组两者相结合使用，使入射光束顺序经过光束整形光锥和所述透镜或透镜组，从而得到更好的光束整形效果。

进一步地，所述光束整形装置与所述起偏器之间的光路上还优选设有复眼透镜列阵组。

采用本实用新型的技术方案，不仅有效地大幅度地提高了LED或LED阵列的亮度，而且还同时提高了偏振输出效率和发光效率。

附图说明

图1为LED输出光的原始连续波形a和振荡电路输出的高频脉冲波形b；

图2为现有时分多路技术的示意图；

图3为PBS偏光变换光学系统；

图4为本实用新型的一种增强LED偏振发光亮度的装置的示意图；

图5为图4相应的LED的脉冲图的示意图；

图6为LED光源装置输出的波形图的示意图；

图7为LED阵列偏振发光装置的示意图。

具体实施方式

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，在本实用新型以下的实施例和附图中，为了方便起见，采用了方波来作为脉冲的示意图，本领域技术人员应当理解，这与实际的脉冲波形图不完全相同。

图3所示为一种PBS偏光变换光学系统，包括PBS棱镜302、反射镜303和1/2波片304。光源301产生的光束入射到偏振光束分离器(Polarization Beam Splitter，简称PBS)棱镜302中，所述PBS棱镜302由两个直角棱镜按其斜边彼此结合构成，在结合面上，利用满足45度布儒斯特角条件的干涉淀积PBS膜305。垂直入射进入PBS棱镜中的平行光束以45度入射到PBS膜305上，与入射面平行的P偏光成分无阻碍地透过PBS膜305，与入射面垂直的S偏光成分被PBS膜305反射。这样入射光被分离成两个彼此垂直的线偏振光。由于反射镜303的反射作用，且反射镜303与PBS棱镜302之间以45度的角度放置，从而S偏光以与P偏光基本相同的方向传播。而P偏光光束通过1/2波片304，偏光面被旋转90度变成S偏光输出。结果从光源301发射的普通光束全部变为S偏光，并继续沿原方向传播。同理，改变PBS膜305，还可以实现将S偏光通过、P偏光反射，最后光源发射的光束全部变成P偏光输出。

图4示出了本实用新型LED发光系统的一个实施例。该系统包括n个LED偏振光源，n-1个PBS棱镜(例如第1个PBS棱镜414和第2个PBS棱镜424)，以及n-2个偏振光转换装置(例如第1个偏振光转换装置415和第2个偏振光转换装置425)，其中，n为正整数，所述第1个LED偏振光源包括第1个LED401，以及顺序设置在第1个LED401输出光路上的第1个光束整形装置402和第1个起偏器403，所述第2-第n个LED偏振光源分别包括第2-第n个LED，如第2个LED411和第3个LED421，以及顺序设置在相应LED输出光路上的光束整形装置和起偏器，如第2个光束整形装置412和第3个光束整形装置422，第2个起偏器413和第3个起偏器423。

所述第1个LED401发出的光经过第1个光束整形装置402整形处理后成为发散角较小的近平行光，再经过第1个起偏器403变换，成为P偏振光，并直接透射通过第1个PBS棱镜414，所述第2个LED411发出的光经过第2个光束整形装置412整形处理成为发散角较小的近平行光，再经过第2个起偏器413变换，成为S偏振光，并经过第1个PBS棱镜414的反射，与来自第1个LED401的P偏振光合成为第1个合束光，该合束光中既有P偏光，也有S偏光，为了在第2个PBS棱镜424中进一步与来自第3个LED421的S偏振光合束，在第1个PBS棱镜414和第2个PBS棱镜424之间设有第1个偏振光转换装置415，该偏振光转换装置415将第1个合束光中的S偏光转换为P偏光，而对原有的P偏光成分不做处理，使得第1个合束光完全成为P偏光，进而进入第2个PBS棱镜424中进行合束，第3个LED421发出的光首先被第3个光束整形装置422处理，成为发散角较小的近平行光，再经过第3个起偏器423变换，成为S偏振光，该S偏振光经过所述第2个PBS棱镜424与P偏振的第1个合束光合束，成为第2个合束光，这样，第j个合束光经过第j个偏振光转换装置统一偏振方向后，再通过第j+1个PBS棱镜与第j+2个LED偏振光源发出的S偏振光合束，如此反复进行下去，直至第n个LED偏振光源输出的S偏振光被合束，得到第n-1个合束光，将此光束作为LED光源系统的输出光输出，其中j为正整数且1≤j≤n-2，这种方式最后得到的输出光仍然是P偏光与S偏光的混合光，其中的S偏光来自第n个LED偏振光源的S偏振光，为了得到具有相同偏振方向的偏振光输出，还可以在最后的输出光路上增加第n-1个偏振光转换装置，将来自第n个LED偏振光源的S偏振光转换为P偏振光。

本实施例中，所述起偏器优选使用图3所示的PBS偏光变换光学系统，作为偏振光合束装置的光学器件除了所述PBS棱镜外，还可以使用其他合适的光学器件，所述光束整形装置可以使用光束整形光锥或其他可以压缩LED出射光发散角的透镜或透镜组，也可以使用光束整形光锥和透镜组相结合。光束整形装置尽可能地将LED光束整形为发散角较小的光束，因为PBS膜对入射光的角度有相应要求，发散角过大的光线无法较好起偏，起偏的P偏光和S偏光偏振度不高；所述偏振光转换装置的一种优选结构包括移动装置和用于将入射光束中的S偏振光转换为P偏振光的双折射旋光器，所述双折射旋光器固定安装在所述移动装置上，并随之移动，在控制电路的控制下，当入射光束中的S偏振光脉冲来到时，所述移动装置将双折射旋光器移入光路中，将S偏振光转换为P偏振光，当S偏振光脉冲经过后或者入射光束中的P偏振光脉冲来到时，所述移动装置将双折射旋光器移出光路，使P偏振光脉冲直接通过。所述双折射旋光器除了可以选用1/2波片外，还可以使用其他可以使入射偏振方向旋转90度的光学器件。当然，本领域技术人员应当理解，也可以使用其他常用的方式和手段实现转换入射光偏振方向的目的。

上述装置特别适合于脉冲LED光源，特别是当各LED采用时分脉冲输出时，可以得到更优化的输出效果：

通过控制电路，控制n个LED发射具有相同周期T和脉冲宽度τ的脉冲光，并且，第2个LED411的脉冲相对于第1个LED401的脉冲延迟一个脉冲宽度，第3个LED421的脉冲相对于第2个LED411的脉冲延迟一个脉冲宽度，如图5a-图5c所示，其中，图5a为第1个LED401的脉冲波形，图5b为第2个LED411的脉冲波形，图5c为第3个LED421的脉冲波形。

图6给出了合成后的波形的示意图，其中，图6a为第1个LED401和第2个LED411、第3个LED421的脉冲合成后的脉冲波形，图6b为n个LED的脉冲合成后的波形，可以看到，如果能够根据脉冲的占空比选择适当数量的LED，使得后一脉冲的上升沿与前一脉冲的下降沿同步，可以形成近似连续的输出，例如，令第i+1个LED脉冲光的脉冲上升沿与所述第i个LED脉冲光的脉冲下降沿同步，i为整数，且1≤i≤n-1。由于是脉冲LED光，所以这种近似连续的输出光强可以达到直流恒压电源驱动的LED输出光强的几倍，由于是在同样的发光面积上累加LED光强，从而实现了输出亮度的提高。例如，如果各个LED以占空比为10％的脉冲输出，则需要10个LED，而且各个LED输出的脉冲光彼此时序错开，第1个LED输出的脉冲后紧接着是第2个LED的输出脉冲，第2个LED输出脉冲之后紧接着第3个LED的输出脉冲，以此类推，直至第10个LED输出脉冲之后，刚好第1个LED的下一个脉冲到来，开始第二轮输出，从而形成类似连续波的输出。如需n个LED，则可以优选n，使得n为最接近所述脉冲占空比的倒数的正整数。

作为示例，一种上述的偏振光转换装置包括可在电机带动下进行移动的支架和设置于该支架上的1/2波片，所述电机根据控制装置的相应信号将1/2波片移入或移出光路，例如，对于图4中第1个偏振光转换装置415，当第1个LED401发出的脉冲P偏光经过时，其电机处于静止状态，电机带动下的1/2波片位于光路之外，当驱动第2个LED411的脉冲信号上升沿到来时，控制装置控制第1个偏振光转换装置415的电机启动，并在电机的带动下将载有1/2波片的支架移入光路，将第2个LED411发出的S偏光转换为P偏光，当该脉冲信号的下降沿到来时，控制装置控制电机再次启动，将所述支架移出光路，直到驱动第2个LED的下一个脉冲信号上升沿再次到来，这样，第1个LED发出的脉冲P偏光得以直接通过。对于其余的偏振光转换装置也具有类似的结构，所有的偏振光转换装置初始都位于光路外，当驱动第k个LED的脉冲上升沿到来时，控制装置控制第k-1个偏振光转换装置中的电机启动，并在电机的带动下将载有1/2波片的支架移入光路，将第k个LED发出的S偏光转换为P偏光，当该脉冲的下降沿到来时，电机再次启动，将所述支架移出光路，直至该第k个LED的脉冲上升沿再次到来为止，这样，使得其他在先光路中的LED发出的P偏光或合束的P偏光可以直接通过，其中k为整数，且2≤k≤n-1，当然，如果需要最后输出具有相同偏振方向的偏振光，还可以在输出光路的最后设置对应于第n个LED的第n-1个偏振光转换装置，其移入和移出光路的方式与其他偏振光转换装置类似。由于n个LED各自的脉冲起始时间不同，所以各自对应的偏振光转换装置移入和移出光路的时间有所不同。本领域技术人员应当理解，除了上述形式的偏振光转换装置外，还可以使用例如电机和可在该电机带动下旋转的扇形1/2波片，该波片的转轴垂直通过其圆心，并且其转动频率与LED脉冲频率相同，扇形1/2波片的张角应当与所对应的脉冲宽度相适应，确保第k个LED输出的脉冲S偏光刚好经过扇形1/2波片，即此脉冲的上升沿来到时，扇形1/2波片刚好转入光路，此脉冲的下降沿来到时，扇形1/2波片刚好转出光路，等等，这些对本领域技术人员是熟知的结构，出于简便起见，此处就不再赘述。

上述实施例中，为了方便示例起见，假设各LED发射的脉冲光具有相同周期和脉冲宽度，但这并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员应当理解，还可以使用其他各种合适的脉冲参数，例如各个脉冲完全可以具有不同的脉冲宽度，当然脉冲峰值也可以根据需要设置为不同，或者近似相同等，例如，当使用6个LED，且所有的LED的脉冲频率相同时，可以令第1个LED的输出脉冲为30％的占空比，其余5个LED输出脉冲光分别为14％占空比，或者其余5个LED也分别为不同的占空比，但只要其脉冲峰值一样，都可以最后形成类似连续波的输出。当然，后续光路上的各种光学器件的设置也应当相应的进行调整。例如，当各个脉冲的脉冲宽度不同时，上述具有扇形1/2波片的偏振光转换装置中，所述扇形1/2波片的张角也需随之进行调整；如果采用移动装置移入1/2波片的方法，移动装置的移入的时刻仍是根据脉冲S偏光上升沿的来临，持续时间则根据脉冲宽度而决定；此外，所有脉冲之间可以为不严格紧连，可以有相应时间缝隙，但根据人眼的视觉暂留效应，时间缝隙最好小于十分之一秒。例如，虽然上述实施例中共使用了10个LED，每个LED脉冲输出的占空比为10％，可以刚好形成类似连续波的输出，然而，形成类似连续波的输出并非必须的，本领域技术人员应当理解，即使使用例如8个占空比为10％的LED，使得最终输出波形稍有波动，但由于人眼的视觉暂存特性，其对人眼来说仍然是准连续的。而且，脉冲峰值在不影响整体输出效果的情况下，也可以设置为不完全相同，而是近似相同。

此外，还可以使用LED阵列来代替各LED，如图7所示的根据本实用新型的一个实施例中，其基本结构与图4的LED光源系统相同，不同之处在于，首先，图4中的每个LED被替换成了LED阵列，如第1个LED阵列701、第2个LED阵列711和第3个LED阵列721等，其次，为了使LED光具有匀场的效果，还在每个光束整形装置及其对应的偏振变换光学系统之间的光路上设置有复眼透镜列阵组(例如第一个复眼透镜列阵组706、第二个复眼透镜列阵组716、第三个复眼透镜列阵组726)。n个LED阵列这里采用相同的阵列，采用LED列阵可以增强光强，而如本实用新型采用的多个LED列阵的累加，则是增强了相同发光面积上的亮度，当然，本领域普通技术人员应当理解，各LED阵列可以相同，也可以不相同，还可以一部分光源采用LED，而另一部分采用LED阵列，所述阵列既可以是面阵，也可以是线阵。

最后需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型的各种技术方案可以进行各种组合、变化和等同替换。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何组合、修改、等同替换、改进以及更新等等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种LED光源系统，其特征在于，包括n个LED偏振光源、n-1个偏振光合束装置，以及分别设置在相邻偏振光合束装置之间的光路上的n-2个偏振光转换装置，所述偏振光转换装置用于将入射的光束转换成具有同一偏振方向的线偏振光，n为正整数，且n≥2，并且所述第i个偏振光合束装置设置在所述第i+1个LED偏振光源的输出光路上并与其相对应，i为正整数，且1≤i≤n-1；

其中，所述第1个LED偏振光源输出的光射到所述第1个偏振光合束装置中，所述第2-第n个LED偏振光源输出的光分别入射到与其对应的偏振光合束装置中；所述第j个偏振光合束装置输出的光束经过第j个偏振光转换装置后入射到第j+1个偏振光合束装置中，其中，j为整数，且1≤j≤n-2；由第n-1个偏振光合束装置输出的光束作为所述LED光源系统的输出光。

2.根据权利要求1所述的LED光源系统，其特征在于，所述第n-1个偏振光合束装置的输出光路上设置有第n-1个偏振光转换装置，用于将入射的光束转换成具有同一偏振方向的线偏振光。

3.根据权利要求1或2所述的LED光源系统，其特征在于，所述LED偏振光源为线偏振光源。

4.根据权利要求3所述的LED光源系统，其特征在于，所述第2-第n个LED偏振光源输出的线偏振光的偏振方向相同，且所述第1个LED偏振光源输出的线偏振光与所述第2-第n个LED偏振光源输出的线偏振光的偏振方向彼此垂直。

5.根据权利要求1-4任一项所述的LED光源系统，其特征在于，所述n个LED偏振光源皆为脉冲光源。

6.根据权利要求5所述的LED光源系统，其特征在于，所述n个LED偏振光源的脉冲频率相同。

7.根据权利要求6所述的LED光源系统，其特征在于，所述n个LED偏振光源输出的脉冲时序都彼此错开。

8.根据权利要求5-7任一项所述的LED光源系统，其特征在于，所述n个LED偏振光源输出的脉冲峰值相同。

9.根据权利要求7所述的LED光源系统，其特征在于，所述第i+1个LED脉冲光源的脉冲上升沿与所述第i个LED脉冲光源的脉冲下降沿同步。

10.根据权利要求3-9任一项所述的LED光源系统，其特征在于，所述偏振光合束装置为PBS棱镜。

11.根据权利要求10所述的LED光源系统，其特征在于，所述偏振光转换装置包括双折射旋光器。

12.根据权利要求11所述的LED光源系统，其特征在于，所述偏振光转换装置还包括移动装置，所述双折射旋光器安装在所述移动装置上，当且仅当该偏振光转换装置所对应的入射光中相应偏振方向的偏振光脉冲到来时，所述移动装置将所述双折射旋光器移入光路中。

13.根据权利要求11或12所述的LED光源系统，其特征在于，所述双折射旋光器为1/2波片。

14.根据权利要求1-13任一项所述的LED光源系统，其特征在于，所述LED偏振光源包括LED或LED阵列，以及设置在所述LED或LED阵列输出光路上的起偏器。

15.根据权利要求14所述的LED光源系统，其特征在于，所述起偏器为PBS偏光变换光学系统。

16.根据权利要求14或15所述的LED光源系统，其特征在于，所述LED或LED阵列与所述起偏器之间的光路上还设有光束整形装置。

17.根据权利要求16所述的LED光源系统，其特征在于，所述光束整形装置与所述起偏器之间的光路上还设有复眼透镜列阵组。

18.根据权利要求16或17所述的光源系统，其特征在于，所述光束整形装置为光束整形光锥或用于压缩LED出射光发散角的透镜或透镜组，或者由顺序设置在光路中的光束整形光锥与透镜或透镜组两者构成。

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