專利名稱：一種高效led投影機(jī)用光路前端系統(tǒng)的制作方法
一種高效LED投影機(jī)用光路前端系統(tǒng)本發(fā)明屬光學(xué)一電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域；確切的講是一種led光場整形裝置。對于led光源，由于單一晶片的功率有限，對點陣排列就造成多點分布的面光源 狀態(tài)，因而光能利用率不高且也不易高亮度化。本發(fā)明的目的在于解決已有技術(shù)的不足之處，以RGB可分時脈沖(時序)的方式 發(fā)光(也可以是白光led同步工作式)，在LED晶片的排不上采取間隔交錯分布，3/4色(4 色時含白色，甚至更多色LED)排列與同一面型基板上，應(yīng)用幾何光學(xué)原理，光場分布質(zhì)量 及亮度大大提高，可廣泛應(yīng)用于各種場合中。本發(fā)明的特點在以曲面面型基板及積分棒(亦即光導(dǎo)棒)整理光場時；可減少 插入損耗，為投影機(jī)光路的簡化創(chuàng)造優(yōu)越條件。本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵由led發(fā)光晶片、光場整理透鏡(選用器件，當(dāng)led晶片的光線需要穿過折射率相 差很大的介質(zhì)時避免全反射回射，而造成光的出射損耗而需要透鏡；當(dāng)led晶片的光線穿 過折射率相差不大的介質(zhì)分界面時則無需選用光場整理透鏡)、錐柱反射面、多級積分棒及 承載基板等組成；基本工作原理為當(dāng)激發(fā)led發(fā)光晶片發(fā)光時，由于半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)可以被 看成近似點光源，每一個點光源經(jīng)光場整理透鏡(如果有)整理后，一部分直接射入多級積 分棒光輸入面，另一部分則射到錐柱反射面上再反射到多級積分棒光輸入面上，如果在變 徑積分棒(小面積端為輸入端)的傳輸下，隨著積分棒柱面的多次反射，光線的擴(kuò)散角會逐 漸減小，最終在多級積分棒出射端出射時會得到一束較為良好的平行出射光束；其根本特 征就在于led發(fā)光晶片(可含廣場整理透鏡也可以不合)與(所耦合的)多級積分棒之 間的(耦合區(qū)域)加工有錐柱反射面(錐角在0-90度之間，錐角0度時為純柱面)；積分 棒的錐角也是0-90度之間，積分棒可以是整體單一的，也可以是一段是單一的另一段則是 由幾個相對較細(xì)的多個細(xì)積分棒合并而成，2段的接口面的面積基本相等；(光導(dǎo))積分棒 的出射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面；(光導(dǎo))積分棒的入射端面即可以是平面 也可以是凹面或凸面，而且即可以是單一入射口也可以是多個入射口 ；多入射口可對應(yīng)R， G，B，W不同顏色的led晶片套件的光的輸入。積分棒陣的各棒的光線出射端面即可以是平行的(或共面)，也可以是非平行的 組成內(nèi)凹面(內(nèi)凹面有利于效率的提高及長光程的光束均勻性的改善，因為多棒出射的整 體匯聚與每個棒的3-10的發(fā)散配合起來，從幾何光學(xué)的角度來說益處極大)，或者也可以 增設(shè)透鏡來完成。以上所述的積分棒組件及l(fā)ed晶片套件可以是單一使用，也可以是多套合并使 用，合并時用可根據(jù)需要將積分棒的輸入端及輸出端排列成平面或曲面(光線出射光束既 有良好的平行度也有良好的均勻性，或者時良好的匯聚性質(zhì)(焦點極小可直接耦合光路中 的主積分棒)，使得投影機(jī)光路被大大簡化)。以上所述的積分棒組件的集合特征為在大多數(shù)位置處，當(dāng)用與積分棒的對稱軸 垂直的平面截積分棒，(當(dāng)截面由輸入端向輸出端移動時)所得截面的面積漸漸增大。另外一種表述參考由led發(fā)光晶片、光場整理透鏡、面型基板等組成；基本工作原理為當(dāng)激發(fā)led發(fā)光晶片發(fā)光時，由于半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)可以被看成近似點光源，每一個點 光源經(jīng)光場整理透鏡整理后，或是變成平行光線或是變成匯聚光線(有焦點)，面型基板是 用來固定led發(fā)光晶片及透鏡的(led與透鏡可以是1體化的，平面面型基板可使led排列 成平面分布；曲面面型基板可使led排列成曲面分布)，有必要時變徑積分棒再可以用來進(jìn) 一步整理光場(獲得更良好的平行度)，曲面排列的led陣列可使所有的聚焦點重合，平面 排列的led陣列可再經(jīng)聚焦透鏡使所有的光線聚焦(當(dāng)面型基板為平面時，可獲得平行面 光源之后再匯聚，當(dāng)面型基板為球面時，可直接獲得匯聚光源，方便的安裝于光機(jī)中)；其 技術(shù)的特征就在于曲面聚焦光源結(jié)構(gòu)為將多個聚焦型的led發(fā)光晶片(含透鏡組件)安 裝在曲面面型基板的內(nèi)表面上(或平面基板上)，所有單獨led的發(fā)光焦點都重合在一起， 組成公共焦點(采用平面基板時再用透鏡聚焦，必要時積分棒可再整理光場)；RGBS三色的 LED晶片在面型基板上是交錯排布的；各色LED的發(fā)光方式單色輪流脈沖發(fā)光方式或復(fù)色 脈沖發(fā)光方式。顯然；多色脈沖LED光源投影機(jī)，自然是由多色脈沖LED光源、光機(jī)光路及電子線 路等組成；基本工作原理為當(dāng)多色脈沖LED光源激發(fā)發(fā)光時，經(jīng)過光路及電路部分的協(xié) 同處理，轉(zhuǎn)化成投影圖像光，由鏡頭投射出去；其特征就在于在投影機(jī)中使用了多色脈沖 LED光源；投影機(jī)內(nèi)部的像素光閥器件(LCD/DLP/LC0S)的圖像內(nèi)容的驅(qū)動節(jié)律(時序)與 本技術(shù)的LED光源的脈沖發(fā)光方式(單色輪流脈沖發(fā)光方式或復(fù)色脈沖發(fā)光方式)同步。補(bǔ)充的講構(gòu)成本發(fā)明技術(shù)的結(jié)構(gòu)的基本組成是由led發(fā)光晶片、光場整理透鏡 (可選用件)、面型基板(用于固定led晶片的支撐構(gòu)件，led晶片可以直接加工在其上，也 可以使把加工好的獨立led器件再安裝在面型基板上)、變徑(或等徑)積分棒(需嚴(yán)格平 行光場時用變徑的)等組成；基本工作原理為對于獲取聚焦光源結(jié)構(gòu)為當(dāng)激發(fā)led發(fā)光 晶片發(fā)光時，由于半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)可以被近似看成點光源，每一個點光源經(jīng)透鏡整理光場后， 或是變成平行光線或是變成匯聚光線，面型基板是用來固定led發(fā)光晶片及透鏡的(led與 透鏡可以是1體化的，平面面型基板可使led排列成平面分布；曲面面型基板可使led排 列成曲面分布)，有必要時變徑積分棒再可以用來進(jìn)一步整理光場(以獲得更良好的平行 度)，曲面排列的led陣列可使所有的聚焦點重合，平面排列的led陣列可再經(jīng)(一個大的 統(tǒng)一的)聚焦透鏡使所有的光線聚焦(當(dāng)面型基板為平面時，通過各自led晶片前的小透 鏡可獲得平行面光源之后再匯聚，當(dāng)面型基板為球面時，可直接獲得匯聚光源(聚焦小透 鏡匯聚各自的led晶片的光線)，方便的安裝于光機(jī)中)；另一種情形是在led發(fā)光晶片前 插入多個積分棒(可以一一對應(yīng))，整理光場后再進(jìn)入投影機(jī)的光學(xué)通道中，通過光閥器件 生成圖像光而投射出去；因而(可獲得2種光源內(nèi)球面(及平面/透鏡)聚焦型及積分棒 整理光場型)；其特征就在于曲面聚焦光源結(jié)構(gòu)為將多個聚焦型的led發(fā)光晶片(含透 鏡組件)安裝在曲面面型基板的內(nèi)表面上(或平面基板上)，所有單獨led的發(fā)光焦點都重 合在一起，組成公共焦點(采用平面基板時再用透鏡聚焦)；另一種積分棒整理光場型光源 結(jié)構(gòu)為由多個獨立的(等徑或變徑)積分棒安裝在面型基板的(led點陣)表面上的各個 led發(fā)光晶片的發(fā)光表面上(可以是每一個獨立(積分棒的小面積端彼此分離)的積分棒 (的小截面端)，且獨立耦合一個(獨立)led發(fā)光晶片區(qū)，是led晶片與積分棒的一一對應(yīng) 耦合方式；也可以是將積分棒(小面積端彼此緊密靠近或緊密排列在一起)所組成的積分 棒束與led發(fā)光面離開一定距離，即間隙耦合方式)，所耦合的光再由積分棒的另一端出射
4(積分棒的出射端(可以是較大截面端)可以是緊密排列的)，每一個積分棒的截面積可以 是等截面的，也可以是入射端截面最小出射端最大(有利于平行度改善)；有積分棒導(dǎo)出的 光線可以直接進(jìn)入光路中使用也可以再經(jīng)過另一級激光棒整理后使用；對于積分棒與led 晶片一一對應(yīng)的直接耦合方式的情況下，可以將較分散的led點陣的(大)面型基板集束 成較小的發(fā)光面(且有良好的光分布立體角)。上述積分棒可以是實心的介質(zhì)組成也可以是由介質(zhì)圍成的空心的管道；積分棒的 表面可以是介質(zhì)的自然表面也可以是覆有其他介質(zhì)層的表面。(同一LED像素點引出的)每一根積分棒可以是單根組成，也可以是多根的復(fù)合 體。當(dāng)RGB等聚焦的光線的聚焦點射到光機(jī)光路的主光導(dǎo)棒(用來傳輸并混合光線使 出口廣場的均勻性更好)，由主光導(dǎo)棒導(dǎo)出；此時色輪器件可以省去，因RGB分時發(fā)送。彩色慮光片可以放置在RGB通道的中。還需強(qiáng)調(diào)積分棒的輸入端區(qū)域的易集光方式為即輸入端區(qū)域可以是一個統(tǒng)一 (或漸變)錐角的錐柱的小的底面區(qū)域，也可以是一個錐角突變(錐角增大)的急劇變細(xì)的 輸入端(輸入面面積更小)；在輸入端附近的錐柱側(cè)面上即可以是透明表面也可以是覆蓋 有反射膜的表面。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的幾個較佳實施例作進(jìn)一步說明[

圖1]R，G，B及W光輸入積分棒(光導(dǎo))及其陣列結(jié)構(gòu)示意圖。[圖2]多級積分棒結(jié)構(gòu)示意圖。[圖3]典型的光機(jī)簡化光路示意圖。[圖4]一種優(yōu)化熱的聚焦通用投影機(jī)LED燈泡結(jié)構(gòu)示意圖。[圖5]LED晶片與積分棒耦合區(qū)基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖示說明(1) led發(fā)光晶片(上有發(fā)光pn節(jié))(2)積分(光導(dǎo))棒(3)積分棒(光線)輸入端(輸入面)(4) (led)面型基板(21)積分棒(單芯)段(22)積分棒(多芯)段(23)積分棒(輸入端)反射膜(24)積分棒(輸入端)錐柱面(25)積分棒(輸入端)入射面(27)出射面(31)積分棒(32) led 面型板(33) led (pn 結(jié))發(fā)光區(qū)(34)錐柱反射面載體(35)，(36)光線(37)錐柱反射面
5
(38)透鏡(41)(主)積分棒(42) (led)積分棒(43) led 基板(44) led 面型基板(45)，(46)，(47)光線(51) DMD 或 Icos 成像晶片(52)鏡頭組件(53)棱鏡(54)透鏡(55) (led)積分棒(56) led 面型基板(57)，(58) (59)光線如圖1所示積分棒(光線)輸入端(3)有多個輸入面一5，每一個輸入面一5都對應(yīng)一個led 發(fā)光晶片上的(各色的R/G/B/W的發(fā)光pn節(jié))(1)；多色的LED都被承載在(led)面型基 板(4)上，積分(光導(dǎo))棒(2)完成對各色led光的混合及均勻其光場。積分棒(光導(dǎo))的幾何特點是大部分段中都是在沿光線傳輸?shù)姆较蚱浣缑鏉u漸 增大(截面的形狀過渡是光滑過渡形式)。多個積分棒⑵可以緊密排列一起(形成積分棒陣列)，led發(fā)光晶片由于散熱的 限制，不可能過密。經(jīng)棒(2)的出射端面出射的光束，無論R，G，B，W(白)顏色的LED哪一 個發(fā)光，經(jīng)輸入端(3)輸入，積分棒(5)都能將其均勻(且在3-10度的發(fā)散角度下)且平 行的出射。如圖2所示(21)為積分棒(單芯)段，(22)為積分棒(多芯)段；(23)是積分棒(輸入端) 反射膜，(24)是積分棒(輸入端)錐柱面，(25)是積分棒(輸入端)入射面；圖中的多芯 段可由4芯組成，合并時最好選取低射率的光學(xué)膠粘接。光線由(25)面入射，大散射角度的光線將射到錐面上，被反射后也改變?yōu)樾∩⑸?角的光線。積分棒的多芯段有利于出射光的散射角的減小，平行度更好。(26)為多芯段(22)中的一芯(共4芯)；(27)為出射面(共4個；每一個芯有1 個出射面)。圖2中，輸入端(24)是一個錐角突變(錐角增大)的急劇變細(xì)的狀態(tài)(輸入面面 積更小)，大角度的錐面有利于光能的收集；在輸入端附近的錐柱側(cè)面上即可以是透明表 面也可以是覆蓋有反射膜的表面。如圖3所示錐柱反射面載體(34)上的錐柱反射面(37)反射來自透鏡(38)的大的發(fā)散角的 光線(36)，(31)為積分棒(的一部分，輸入端區(qū)域)，(32)為led面型板，(33)為led(pn 結(jié))發(fā)光區(qū)，(35)，(36)為光線。該結(jié)構(gòu)有利于將錐柱面(37)與(32)分離，工藝上易于實現(xiàn)，(35)為小散射角的
6光線。如圖4所示(led)積分棒(42)易于高效率的將led基板(43)上的PN結(jié)光線傳輸并平行化， 棒的出射端的微凸形狀可再略微匯聚，最后絕大部分光線(45)，(46)，(47)會聚焦于(主) 積分棒(41)的入口，led面型基板(44)的大面積易于散熱。(44)上可以有間隔排布的R，G，B，W(白)顏色的LED晶片，時序發(fā)光可省去色輪 部件。由于外形及其一致，本圖可直接替代現(xiàn)有匯聚型的UHP燈泡。如圖5所示由led面型基板(56)上的(led)積分棒(55)所構(gòu)成的陣列所發(fā)出的光線(57)， (58)及(59)經(jīng)透鏡(54)的略微匯聚后直接由射到棱鏡(53)上，在經(jīng)DMD或Icos成像晶 片(51)反射后由鏡頭組件(52)投射出視頻投影圖像。(56)上的RGB及W(如果有的話)，產(chǎn)生時序色彩，由于棒(55)陣列的光束品質(zhì) (良好的均勻度及平行度)極佳，再無需復(fù)雜的光學(xué)整形系統(tǒng)，極大的增加了效率(從目前 的6% -—10%增加到30% -—40%以上)。
權(quán)利要求
1.一種高效LED投影機(jī)用光路前端系統(tǒng)，由led發(fā)光晶片、光場整理透鏡(選用器件， 當(dāng)led晶片的光線需要穿過折射率相差很大的介質(zhì)時避免全反射回射，而造成光的出射損 耗而需要透鏡；當(dāng)led晶片的光線穿過折射率相差不大的介質(zhì)分界面時則無需選用光場整 理透鏡)、錐柱反射面、多級積分棒及承載基板等組成；基本工作原理為當(dāng)激發(fā)led發(fā)光晶 片發(fā)光時，由于半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)可以被看成近似點光源，每一個點光源經(jīng)光場整理透鏡(如 果有)整理后，一部分直接射入多級積分棒光輸入面，另一部分則射到錐柱反射面上再反 射到多級積分棒光輸入面上，如果在變徑積分棒(小面積端為輸入端)的傳輸下，隨著積分 棒柱面的多次反射，光線的擴(kuò)散角會逐漸減小，最終在多級積分棒出射端出射時會得到一 束較為良好的平行出射光束；其特征就在于led發(fā)光晶片(可含廣場整理透鏡也可以不 含)與(所耦合的)多級積分棒之間的(耦合區(qū)域)加工有錐柱反射面(錐角在0-90度之 間，錐角0度時為純柱面)；積分棒的錐角也是0-90度之間，積分棒可以是整體單一的，也 可以是一段是單一的另一段則是由幾個相對較細(xì)的多個細(xì)積分棒合并而成，2段的接口面 的面積基本相等；(光導(dǎo))積分棒的出射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面；(光導(dǎo)) 積分棒的入射端面即可以是平面也可以是凹面或凸面，而且即可以是單一入射口也可以是 多個入射口 ；多入射口可對應(yīng)R，G，B，W不同顏色的led晶片套件的光的輸入；積分棒陣的 各棒的光線出射端面即可以是平行的(或共面)，也可以是非平行的組成內(nèi)凹面(內(nèi)凹面有 利于效率的提高及長光程的光束均勻性的改善)，或者也可以增設(shè)透鏡來完成；積分棒的 入口處可采區(qū)易集光方式。
2.如權(quán)力要求1所述光源；其特征就在于所述的積分棒組件及l(fā)ed晶片套件可以是 單一使用，也可以是多套合并使用，合并時用可根據(jù)需要將積分棒的輸入端及輸出端排列 成平面或曲面(光線出射光束既有良好的平行度也有良好的均勻性，或者時良好的匯聚性 質(zhì)(焦點極小可直接耦合光路中的主積分棒)，使得投影機(jī)光路被大大簡化)。
3.如權(quán)力要求1所述光源；其特征就在于所述的積分棒組件的集合特征為在大多 數(shù)位置處，當(dāng)用與積分棒的對稱軸垂直的平面截積分棒，(當(dāng)截面由輸入端向輸出端移動 時)所得截面的面積漸漸增大。
4.如權(quán)力要求1所述光源；其特征就在于所述的積分棒的輸入端區(qū)域的易集光方式 為即輸入端區(qū)域可以是一個統(tǒng)一(或漸變)錐角的錐柱的小的底面區(qū)域，也可以是一個錐 角突變(錐角增大)的急劇變細(xì)的輸入端(輸入面面積更小)；在輸入端附近的錐柱側(cè)面 上即可以是透明表面也可以是覆蓋有反射膜的表面。
全文摘要
一種高效LED投影機(jī)用光路前端系統(tǒng)，由LED發(fā)光部件、光場整理透鏡、面型基板、變徑(或等徑)積分棒(需嚴(yán)格平行光場時用)等組成；曲面面型基板的聚焦型的LED發(fā)光部件組成公共焦點及積分棒整理光場型光源結(jié)構(gòu)，經(jīng)脈沖RGB分時發(fā)光處理，可開拓效率更高功率更大的LED光源，廣泛用于DLP/LCD/LCOS投影機(jī)中。
文檔編號G02B27/09GK102004385SQ20101029064
公開日2011年4月6日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者吳小平, 羅天珍 申請人:吳小平, 羅天珍