CN201909940U - 一种基于led的投影用照明光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于LED的投影用照明光源，包括发光二极管光源，其特征在于：所述发光二极管光源的光出射端连接有集光器，所述集光器是复合抛物面集光器，所述集光器的下端中心位置设有凹槽，所述发光二极管光源设于凹槽内。本实用新型将一次光学整形与二次光学整形集成于封装之中，提供了一种能够最大限度的收集LED发出的光的复合抛物面集光器结构，该集光器显著提高了光收集效率，将LED的光发散角压缩至投影显示芯片所要求的接收角范围。实现了高功率、高亮度的光输出，有效提高了光能利用率，获得了最佳的集光效率，有效提高了投影显示仪的亮度。

Description

一种基于LED的投影用照明光源

技术领域

本实用新型属于投影技术领域，涉及一种投影用照明光源，尤其是一种基于LED的投影用照明光源。

背景技术

投影显示系统通常使用的光源为超高压水银灯(UHP)、金属卤化物灯、氙灯及卤素灯。多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，半导体照明用发光二极管效率不断提高。目前，超高压水银灯是投影装置的主流光源。与之相比，LED投影光源灯具有一些吸引人的优势，其效率高、单色性好、能耗小、寿命长、响应时间短、驱动较易、颜色再现范围大。但是LED光源也有明显不足。LED光源要解决两方面问题，一方面是大幅提高光通量输出，另一方面是目前器件或芯片的出射光束张角较大，光学扩展量较大，其几何形状不利于收集和传输，也不利于改进投影引擎的相关性能和成熟度。用LED器件或芯片构建的投影光源是一种具有多个离散发光元件的扩展面光源，对增大引擎光效，提高亮度和均匀性等图像质量指标增加了难度，如何高效率的利用LED的光能成为一个非常有研究价值的问题。为了使LED芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度的利用，并且在照明区域内满足设计要求，需要对LED进行光学系统的设计。一般来讲，在封装过程中的设计被称为一次光学整形，而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学整形。一次光学整形，是指将LED芯片发射的具有朗伯分布的2π立体角的光整形为一般应用所需。对于照明而言，一次光学整形之后LED光束发散角会压缩至120°到160°范围内，这样的LED可以直接作为照明光源来使用，这种封装出来的产品就可以作为成品来出售。但是若要用于投影显示，还需要将光束发散角压缩，根据投影显示光学系统数值孔径的要求，一般要将经一次光学整形后的光束压缩到30°以内，这就需要二次光学整形元件。

为了使采用发光二级管(LED)光源的投影显示照明系统发出的光束满足显示芯片的照明要求，往往需要选择可以实现出射光束角度和形状与后续光学系统相匹配的光束收集和整形元件。目前，用于发光二级管(LED)二次光学整形的元件主要锥形光棒、全反射透镜、复合抛物面集光器。

锥形光棒光收集效率不高，光损失很大，而且要得到相对均匀的像面则要求光棒长度足够长，会加大系统负担。

全反射透镜在设计，优化及加工上都较困难，光收集效率也不高，其出射光束角及光斑大小都难以控制。

复合抛物面集光器是一种非成像光学元件，根据非成像光学中的边缘光线原理制成，其收集效率可高达96％，收集效率在三个整形元件中是最高的。光束收集之后其峰值光强可以成倍增加，以实现高光强输出。其广泛应用于太阳能收集。

一般情况下，上述三种二次光学整形元件都是在一次光学整形元件基础之上来使用的，对于一次光学整形结果有一定的依赖性。而且，一次光学整形之后，再经二次光学整形，会使二次光学整形元件体积变大，加大系统负担，这必然会带来传输过程的光能损耗。另外，一次光学整形与二次光学整形之间的耦合效率有限，会造成比较大的光能损耗。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于LED的投影用照明光源，该光源提出一种能够最大限度的收集LED发出的光的集光器，在提高光收集效率的同时保证较高的耦合效率，进行光学整形，控制出射的光束角度以满足显示芯片的要求，从而最大限度地提高LED的光能利用率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于LED的投影用照明光源，包括发光二极管光源，其特征在于：所述发光二极管光源的光出射端连接有集光器，所述集光器是复合抛物面集光器，所述集光器的下端中心位置设有凹槽，所述发光二极管光源设于凹槽内。

上述集光器为上端大下端小的棒状体，该棒状体的横截面是矩形或圆形，棒状体的周侧面为复合抛物面形状。

上述集光器为横截面是矩形或者圆形的棒状体，该棒状体内部为空心，所述棒状体内部空心的上端大，下短小，且空心的周侧壁为复合抛物面。

上述集光器的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚苯乙烯。

上述集光器下端的凹槽尺寸与发光二极管光源的尺寸相匹配。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型将一次光学整形与二次光学整形集成于封装之中，提供了一种能够最大限度的收集LED发出的光的复合抛物面集光器结构，该集光器显著提高了光收集效率，将LED的光发散角压缩至投影显示芯片所要求的接收角范围。实现了高功率、高亮度的光输出，有效提高了光能利用率，获得了最佳的集光效率，有效提高了投影显示仪的亮度。

附图说明

图1-1为本实用新型的集光器实施例一结构示意图；

图1-2为本实用新型的集光器实施例二结构示意图；

图1-3为本实用新型的集光器实施例三结构示意图；

图1-4为本实用新型的集光器实施例四结构示意图；

图2-1为图1-1的轴向剖切图；

图2-2为图1-2的轴向剖切图；

图2-3为图1-3的轴向剖切图；

图2-4为图1-4的轴向剖切图；

图3为本实用新型的光线追迹图；

图4-1、图4-2、图5-1、图5-2、图6为本发明的测试结果图。

其中：1为凹槽；2为复合抛物面；3为空心。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

本实用新型的基于LED的投影用照明光源，

可设置在投影机的光机内，发光二极管光源(即LED发光芯片或者芯片阵列)产生光后利用复合抛物面集光器聚光后投射到显示芯片上。该照明光源包括发光二极管光源，发光二极管光源的光出射端连接有复合抛物面集光器集光器，该种集光器的下端中心位置设有凹槽1，发光二极管光源设于凹槽1内，因此该凹槽1尺寸必须与发光二极管光源的尺寸相匹配。

在本实用新型的复合抛物面集光器集光器具有多种结构，以下提出几种集光器结构的较佳实施：

实施例1：实心集光器

该种集光器为上端大下端小的实心棒状体，该棒状体的横截面可以是矩形(如图1-1)，也可以是圆形(如图1-2)，棒状体的周侧面为复合抛物面2形状，如图2-1和图2-2，该种结构的集光器光路是在集光器介质内通过的。

实施例2：具有空心的集光器

参见图2-3或图2-4，：该种集光器是一横截面是矩形或者圆形的棒状体，该棒状体内部有一空心3，棒状体内部的空心3的上端大，下短小，且空心3的周侧壁为复合抛物面2。另外空心3的形状也可以是多种，如图2-3中是横截面是矩形的空心3，或者如图2-4中示出的横截面是圆形的空心3。这种集光器当LED发光芯片从下端的凹槽1出射入后，大部分光以空心3为光路，发散的光线通过空心3内周壁的复合抛物面2也会被反射回来。

综上所述，本实用新型的集光器外形结构可以稍作改进，如将外形制作成菱形柱状等，但其内部结构必须为抛物面形状。

另外本实用新型的集光器的材质可以选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或者其他透明材料。

图3为本实用新型的光线追迹图，由图3可知LED芯片阵列出射的2π立体角的光经集光器之后得到有效地整形，光束发散角明显减小，从而满足投影显示系统的要求；图4-1和图4-2为绿光LED芯片阵列经本实用新型的集光器之后的测试结果，可知在6A的电流下可输出2W，775lm的光；图5-1和图5-2为蓝光LED芯片阵列经本实用新型的集光器之后的测试结果，可知在6A电流下可输出4.2W，150lm的光；图6为本实用新型的集光器输出光束发散角，其测试结果表明本实用新型输出光束发散角较小，小于32°。

综上所述，本实用新型设计的用于投影显示照明光源的集光器可在提高光收集效率的同时进行光学整形，控制出射的光束角度满足显示芯片的要求，其光收集效率及光能利用率高，同时可有效提高投影显示系统的亮度。此外，本实用新型制作简单、制作成本低、使用和维护简单。

Claims (5)

1.一种基于LED的投影用照明光源，包括发光二极管光源，其特征在于：所述发光二极管光源的光出射端连接有集光器，所述集光器是复合抛物面集光器，所述集光器的下端中心位置设有凹槽(1)，所述发光二极管光源设于凹槽(1)内。

2.根据权利要求1所述的基于LED的投影用照明光源，其特征在于：所述集光器为上端大下端小的棒状体，该棒状体的横截面是矩形或圆形，棒状体的周侧面为复合抛物面(2)形状。

3.根据权利要求1所述的基于LED的投影用照明光源，其特征在于：所述集光器为横截面是矩形或者圆形的棒状体，该棒状体内部为空心(3)，所述棒状体内部空心(3)的上端大，下短小，且空心(3)的周侧壁为复合抛物面(2)。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于LED的投影用照明光源，其特征在于：所述集光器的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚苯乙烯。

5.根据权利要求1所述的基于LED的投影用照明光源，其特征在于：所述集光器下端的凹槽(1)尺寸与发光二极管光源的尺寸相匹配。

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