CN213810092U - 一种高均匀性led投影照明匀光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高均匀性LED投影照明匀光系统，包括：投影LED芯片组合，包括若干个单色LED芯片，分别发出单色光束；准直透镜模块，包括若干组准直透镜组，分别设置在单色LED芯片的出光端，且准直透镜组的前焦平面与单色LED芯片的发光面重合，对各单色光束进行准直，获得单色准直光束；LED合束系统，设置在准直透镜模块的出光端，对单色准直光束进行合束，获得白平衡的合光光束；缩束透镜模块，设置在LED合束系统的出光端，对合光光束进行缩束。本发明的系统结构简单紧凑，相较于积分方棒、复眼透镜的匀光系统，成本更低、均匀性更好。

Description

一种高均匀性LED投影照明匀光系统

技术领域

本发明涉及LED投影照明的光学系统，尤其是一种高均匀性LED投影照明匀光系统。

背景技术

DLP投影系统主要由光源，照明系统，DMD(Digital Micromirror Device)芯片，合光棱镜以及投影物镜组成。照明系统作为DLP(Digital Light Processing)投影的重要系统，决定投影的光能利用率以及投影的均匀性等关键技术指标。目前投影系统中匀光器件主要是积分方棒、复眼透镜、自由曲面微透镜阵列等。积分方棒通过多次全反射，在出射端面实现能量的均匀分布，然而随着方棒的反射次数的增加会增加投影LED的光学扩展量，使照明系统的光能利用率在30％以下。积分方棒分为实心方棒和空心方棒，其中实心方棒适用的照明光强较低，同时空心方棒的照明光强受限于粘合的胶的工作温度。复眼透镜的匀光作用是由第一个复眼透镜组将光束分成多个细光束，同时第二个复眼透镜组将第一个复眼透镜组成像无穷远处，积分透镜将无穷远处的均匀光束成像在DMD芯片处。然而，复眼透镜的加工精度，限制了匀光均匀性，同时开模加工成本较高，增加产品的成本。自由曲面微透镜阵列，设计自由度更大，能够更好的对光束进行控制，但是由于其加工难度大，更难被广泛的应用。同时，现有的照明系统很难达到远心照明的效果，是由于相差的引入，在匀光之后的光路，较难准直，不易实现远心照明。

因为LED光源在各个方向的辐射亮度是相同的朗伯辐射特性，所以将LED光源进行准直之后，可以获得与LED表面光源形貌一致的强度分布图。如欧司朗公司的LED，准直后为2、4、6块(与对应的LED发光面积一致)均匀分布的光斑，Luminus公司的投影专用LED为整块均匀分布的光斑。利用LED的朗伯辐射特性，结合透镜组滤波特性，可以降低光学元件的成本，获得高均匀性的照明系统。

目前DLP投影照明系统的结构较为复杂，其生产成本较高。积分方棒会降低照明系统的光能利用率，复眼透镜组的加工精度限制了其匀光均匀性，自由曲面微透镜阵列加工难度大，难以被广泛应用。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种高均匀性LED投影照明匀光系统，采用投影LED芯片组合、准直透镜模块、LED合束系统和缩束透镜模块相结合，实现高均匀性，低成本，具有商业化潜力，易于实现批量化生产。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种高均匀性LED投影照明匀光系统，包括：投影LED芯片组合，包括若干个单色LED芯片，分别发出单色光束；准直透镜模块，包括若干组准直透镜，分别设置在单色LED芯片的出光端，且准直透镜组的前焦平面与单色LED芯片的发光面重合，对各单色光束进行准直，获得单色准直光束；LED合束系统，设置在准直透镜模块的出光端，对单色准直光束进行合束，获得白平衡的合光光束；缩束透镜模块，设置在LED合束系统的出光端，对合光光束进行缩束。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，包括：投影LED芯片组合，包括第一单色LED芯片、第二单色LED芯片和第三单色LED芯片，分别发出第一单色光束、第二单色光束和第三单色光束，第一LED芯片、第二LED芯片设置在同一水平线上，第三LED芯片与第一LED芯片、第二LED芯片垂直设置；准直透镜模块，包括3组准直透镜，分别设置在第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的出光端，且3组准直透镜的前焦平面分别与第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的发光面重合，3组准直透镜分别对第一单色光束、第二单色光束、第三单色光束进行准直，获得第一单色准直光束、第二单色准直光束、第三单色准直光束，其中第一单色准直光束与第二单色准直光束平行，第三单色准直光束与第一单色准直光束、第二单色准直光束均垂直；LED合束系统，包括第一二向色镜和第二二向色镜，第一二向色镜设置在第二单色准直光束与第三单色准直光束的交汇处，且第一二向色镜与第二单色准直光束、第三单色准直光束的夹角均为45°，第一二向色镜对第三单色准直光束透过、对第二单色准直光束反射，实现对第二单色准直光束、第三单色准直光束进行合束获得第一合光光束；第二二向色镜设置在第一单色准直光束与第一合光光束的交汇处，且第二二向色镜与第一单色准直光束、第一合光光束的夹角均为45°，第二二向色镜对第一单色准直光束反射、对第一合光光束透射，实现对第一单色准直光束、第一合光光束进行合束获得合光光束，通过调节第一单色LED芯片、第二单色LED芯片和第三单色LED芯片的光强获得白平衡的合光光束；缩束透镜模块，设置在LED合束系统的出光端，将合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，包括：投影LED芯片组合，包括第一单色LED芯片、第二单色LED芯片和第三单色LED芯片，分别发出第一单色光束、第二单色光束和第三单色光束，第一LED芯片、第二LED芯片相对平行设置，第三LED芯片与第一LED芯片、第二LED芯片均垂直设置；准直透镜模块，包括3组准直透镜，分别设置在第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的出光端，且3组准直透镜的前焦平面分别与第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的发光面重合，3组准直透镜分别对第一单色光束、第二单色光束、第三单色光束进行准直，获得第一单色准直光束、第二单色准直光束、第三单色准直光束，其中第一单色准直光束与第二单色准直光束相对，第三单色准直光束与第一单色准直光束、第二单色准直光束垂直；LED合束系统，采用4个直角棱镜构成合光棱镜，所述4个直角棱镜之间通过胶合而成，每个直角棱镜的两胶合面分别镀有红光反射膜和蓝光反射膜；缩束透镜模块，设置在LED合束系统的出光端，将合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，所述单色准直光束、第一单色准直光束、第二单色准直光束、第三单色准直光束的发散角度均小于10°。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，缩束透镜模块包括两个透镜，合光光束依次通过所述两个透镜，第一个透镜对合光光束进行傅里叶变换，第二个透镜作为滤波器滤除合光光束中的非均匀低频信号同时进行逆傅里叶变换，得到缩束的准直光束。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，投影LED芯片组合包括白色、黄色、绿色、红色或蓝色中一种或多种的投影LED。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，绿色投影LED包括自发发光绿色LED或蓝色激光荧光粉产生绿色光源的LED。

进一步的，本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统，准直透镜模块为两个透镜组合或三个透镜组合，所述透镜组合为球面加工获得的双凸透镜、平凸透镜或弯月透镜，焦距范围在0.1mm-5mm之间。所述的透镜为采用简单的球面加工方式获得的双凸透镜，平凸透镜以及弯月透镜，。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统利用LED光源的朗伯辐射特性，相较于积分方棒、复眼透镜、自由曲面的匀光系统，结构简单紧凑，加工难度降低，成本更低，均匀性更好。

2、本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统采用准直透镜模块、LED合束系统、缩束透镜模块的设计，能够获得远心照明效果，且避免效率不足的问题，同时提高光能利用率，实现高效率、高均匀性的LED投影照明。

3、本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统方向性好，能够适用于多种镜头的投影系统。

附图说明

图1是本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统的示意图。

图2是本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统实施例1的示意图。

图3是本发明的高均匀性LED投影照明匀光系统实施例2的示意图。

附图标记含义：1：投影LED芯片组合，1-1：红色LED，1-2：绿色LED，1-3：蓝色LED，2：LED合束系统，2-1：第一二向色镜，2-2：第二二向色镜，3：准直透镜模块，4：缩束透镜模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种高均匀性LED投影照明匀光系统，如图1所示，包括：

投影LED芯片组合1，包括若干个单色LED芯片，分别发出单色光束。投影LED芯片组合1包括白色、黄色、绿色、红色或蓝色中一种或多种的投影LED，其中，绿色投影LED包括自发发光绿色LED或蓝色激光荧光粉产生绿色光源的LED。

准直透镜模块3，包括若干组准直透镜，分别设置在单色LED芯片的出光端，且准直透镜组的前焦平面与单色LED芯片的发光面重合，对各单色光束进行准直，获得单色准直光束，所述单色准直光束的发散角度小于10°。准直透镜模块3为两个透镜组合或三个透镜组合，所述透镜组合为球面加工获得的双凸透镜、平凸透镜或弯月透镜，焦距范围在0.1mm-5mm之间。通过准直透镜模块3的组合焦距，可以获得80-93％的光能利用率。

LED合束系统2，设置在准直透镜模块3的出光端，对单色准直光束进行合束，获得白平衡的合光光束。

缩束透镜模块4，设置在LED合束系统2的出光端，对合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求。

本系统将LED光源经过准直透镜模块3准直，实现高的光收集效率，缩束透镜模块4能够实现准直光束的缩束和低频滤波的作用，实现高效率，高均匀性的远心照明。

实施例1

一种高均匀性LED投影照明匀光系统，如图2所示，包括投影LED芯片组合1、准直透镜模块3、LED合束系统2、缩束透镜模块4，其中：

投影LED芯片组合1，选用技术成熟的LED投影芯片，包括中心波长范围为612-618nm的红色LED芯片1-1、主波长为520nm的绿色LED芯片1-2和中心波长范围在452-460nm的蓝色LED芯片1-3，分别发出红色光束、绿色光束和蓝色光束，红色LED芯片、绿色LED芯片设置在同一水平线上，蓝色LED芯片与红色LED芯片、绿色LED芯片垂直设置。

准直透镜模块3，包括3组准直透镜，分别设置在红色LED芯片1-1、绿色LED芯片1-2、蓝色LED芯片1-3的出光端，且3组准直透镜的前焦平面分别与红色LED芯片1-1、绿色LED芯片1-2、蓝色LED芯片1-3的发光面重合，3组准直透镜分别对红色光束、绿色光束、蓝色光束进行准直，获得红色准直光束、绿色准直光束、蓝色准直光束，其中红色准直光束与绿色准直光束平行，蓝色准直光束与红色准直光束、绿色准直光束均垂直。所述红色准直光束、绿色准直光束、蓝色准直光束的发散角度均小于10°。

LED合束系统2，包括第一二向色镜2-1和第二二向色镜2-2，第一二向色镜2-1设置在绿色准直光束与蓝色准直光束的交汇处，且第一二向色镜2-1与绿色准直光束、蓝色准直光束的夹角均为45°，第一二向色镜2-1对蓝色准直光束透过、对绿色准直光束反射，实现对绿色准直光束、蓝色准直光束进行合束获得第一合光光束；第二二向色镜2-2设置在红色准直光束与第一合光光束的交汇处，且第二二向色镜2-2与红色准直光束、第一合光光束的夹角均为45°，第二二向色镜2-2对红色准直光束反射、对第一合光光束透射，实现对红色准直光束、第一合光光束进行合束获得合光光束，通过调节红色LED芯片1-1、绿色LED芯片1-2和蓝色LED芯片1-3的输出光强可以达到投影不同灰阶、不同色彩的控制。

缩束透镜模块4，设置在LED合束系统2的出光端，将合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求，达到远心照明的目的。所述缩束透镜模块4包括两个透镜，合光光束依次通过所述两个透镜，第一个透镜对合光光束进行傅里叶变换，第二个透镜作为滤波器滤除合光光束中的非均匀低频信号同时进行逆傅里叶变换，得到缩束的准直光束。

实施例2

一种高均匀性LED投影照明匀光系统，如图3所示，包括投影LED芯片组合1、准直透镜模块3、LED合束系统2、缩束透镜模块4，其中：

投影LED芯片组合1，选用技术成熟的LED投影芯片，包括中心波长范围为612-618nm的红色LED芯片1-1、主波长为520nm的绿色LED芯片1-2和中心波长范围在452-460nm的蓝色LED芯片1-3，分别发出红色光束、绿色光束和蓝色光束，红色LED芯片、绿色LED芯片相对平行设置，蓝色LED芯片与红色LED芯片、绿色LED芯片均垂直设置。

准直透镜模块3，包括3组准直透镜，分别设置在红色LED芯片1-1、绿色LED芯片1-2、蓝色LED芯片1-3的出光端，且3组准直透镜的前焦平面分别与红色LED芯片1-1、绿色LED芯片1-2、蓝色LED芯片1-3的发光面重合，3组准直透镜分别对红色光束、绿色光束、蓝色光束进行准直，获得红色准直光束、绿色准直光束、蓝色准直光束，其中红色准直光束与绿色准直光束相对，蓝色准直光束与红色准直光束、绿色准直光束垂直。所述红色准直光束、绿色准直光束、蓝色准直光束的发散角度均小于10°，获得较高的准直性光束。

LED合束系统2，采用4个直角棱镜构成合光棱镜，所述4个直角棱镜之间通过胶合而成，每个直角棱镜的两胶合面分别镀有红光反射膜和蓝光反射膜。

缩束透镜模块4，设置在LED合束系统2的出光端，将合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求。所述缩束透镜模块4包括两个透镜，合光光束依次通过所述两个透镜，第一个透镜对合光光束进行傅里叶变换，第二个透镜作为滤波器滤除合光光束中的非均匀低频信号同时进行逆傅里叶变换，得到缩束的准直光束。

三色准直光束由合光棱镜进行合束，通过LED输出光强的调节可以达到投影不同灰阶，不同色彩的控制，合束后的LED光束由缩束透镜模块4进行缩束，达到远心照明的目的，该系统结构简单紧凑，相对于积分方棒、复眼透镜的匀光系统，成本低、均匀性好。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，包括：

投影LED芯片组合(1)，包括若干个单色LED芯片，分别发出单色光束；

准直透镜模块(3)，包括若干组准直透镜组，分别设置在单色LED芯片的出光端，且准直透镜组的前焦平面与单色LED芯片的发光面重合，对各单色光束进行准直，获得单色准直光束；

LED合束系统(2)，设置在准直透镜模块(3)的出光端，对单色准直光束进行合束，获得白平衡的合光光束；

缩束透镜模块(4)，设置在LED合束系统(2)的出光端，对合光光束进行缩束。

2.根据权利要求1所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，包括：

投影LED芯片组合(1)，包括第一单色LED芯片、第二单色LED芯片和第三单色LED芯片，分别发出第一单色光束、第二单色光束和第三单色光束，第一单色LED芯片、第二单色LED芯片设置在同一水平线上，第三单色LED芯片与第一单色LED芯片、第二单色LED芯片垂直设置；

准直透镜模块(3)，包括3组准直透镜，分别设置在第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的出光端，且3组准直透镜的前焦平面分别与第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的发光面重合，3组准直透镜分别对第一单色光束、第二单色光束、第三单色光束进行准直，获得第一单色准直光束、第二单色准直光束、第三单色准直光束，其中第一单色准直光束与第二单色准直光束平行，第三单色准直光束与第一单色准直光束、第二单色准直光束均垂直；

LED合束系统(2)，包括第一二向色镜(2-1)和第二二向色镜(2-2)，第一二向色镜(2-1)设置在第二单色准直光束与第三单色准直光束的交汇处，且第一二向色镜(2-1)与第二单色准直光束、第三单色准直光束的夹角均为45°，第一二向色镜(2-1)对第三单色准直光束透过、对第二单色准直光束反射，实现对第二单色准直光束、第三单色准直光束进行合束获得第一合光光束；第二二向色镜(2-2)设置在第一单色准直光束与第一合光光束的交汇处，且第二二向色镜(2-2)与第一单色准直光束、第一合光光束的夹角均为45°，第二二向色镜(2-2)对第一单色准直光束反射、对第一合光光束透射，实现对第一单色准直光束、第一合光光束进行合束获得合光光束，通过调节第一单色LED芯片、第二单色LED芯片和第三单色LED芯片的光强获得白平衡的合光光束；

缩束透镜模块(4)，设置在LED合束系统(2)的出光端，将合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求。

3.根据权利要求1所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，包括：

投影LED芯片组合(1)，包括第一单色LED芯片、第二单色LED芯片和第三单色LED芯片，分别发出第一单色光束、第二单色光束和第三单色光束，第一LED芯片、第二LED芯片相对平行设置，第三LED芯片与第一LED芯片、第二LED芯片均垂直设置；

准直透镜模块(3)，包括3组准直透镜，分别设置在第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的出光端，且3组准直透镜的前焦平面分别与第一单色LED芯片、第二单色LED芯片、第三单色LED芯片的发光面重合，3组准直透镜分别对第一单色光束、第二单色光束、第三单色光束进行准直，获得第一单色准直光束、第二单色准直光束、第三单色准直光束，其中第一单色准直光束与第二单色准直光束相对，第三单色准直光束与第一单色准直光束、第二单色准直光束垂直；

LED合束系统(2)，采用4个直角棱镜构成合光棱镜，所述4个直角棱镜之间通过胶合而成，每个直角棱镜的两胶合面分别镀有红光反射膜和蓝光反射膜；

缩束透镜模块(4)，设置在LED合束系统(2)的出光端，将合光光束进行缩束，以满足DMD芯片和LCoS芯片的照明光束大小和角度的需求。

4.根据权利要求1或2或3所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，所述单色准直光束、第一单色准直光束、第二单色准直光束、第三单色准直光束的发散角度均小于10°。

5.根据权利要求1或2或3所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，缩束透镜模块(4)包括两个透镜，合光光束依次通过所述两个透镜，第一个透镜对合光光束进行傅里叶变换，第二个透镜作为滤波器滤除合光光束中的非均匀低频信号同时进行逆傅里叶变换，得到缩束的准直光束。

6.根据权利要求1所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，投影LED芯片组合(1)包括白色、黄色、绿色、红色或蓝色中一种或多种的投影LED。

7.根据权利要求5所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，绿色投影LED包括自发发光绿色LED或蓝色激光荧光粉产生绿色光源的LED。

8.根据权利要求1或2或3所述的高均匀性LED投影照明匀光系统，其特征在于，准直透镜模块(3)为两个透镜组合或三个透镜组合，所述透镜组合中透镜采用球面加工获得的双凸透镜、平凸透镜或弯月透镜，焦距范围在0.1mm-5mm之间。

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