專利名稱：：Led光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法及投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種提高LED光學(xué)元件光通量利用效率的設(shè)計(jì)方法，并揭示一種帶有相應(yīng)LED光學(xué)元件的投影儀。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)在的照明應(yīng)用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用壽命、色溫以及白點(diǎn)穩(wěn)定性。因此，絕大多數(shù)普通照明應(yīng)用設(shè)計(jì)中都釆用這類LED,包括路面、停車區(qū)以及室內(nèi)方向照明。在這些應(yīng)用中，由于無需維護(hù)(因?yàn)長ED的使用壽命比傳統(tǒng)燈泡的要長得多)且能耗降低，所以基于LED的照明降低了總體擁有成本。在投影儀及相關(guān)領(lǐng)域，為了增強(qiáng)LED的發(fā)光率，一般都會選用光通量較大、高效率、高輸出的LED?？墒窃诰唧w使用中，LED所產(chǎn)生的光線很容易被固定該LED的電路板擴(kuò)散掉。所以為了使得能夠達(dá)到需要標(biāo)準(zhǔn)的光通量，就需要增加更多的LED或者選用更高效率和更大光通量的LED。這樣由于是比采用更多的LED,在具體的LED排版時(shí)，會給裝置內(nèi)部造成不便，使得裝置冗余。為了進(jìn)一步有效利用LED的光通量，解決上面的問題，傳統(tǒng)的投影裝置在其應(yīng)用的UHP燈泡后添加高反射率材料，并形成拋物線形狀，來達(dá)到光源輸出準(zhǔn)直光線，以此達(dá)到增強(qiáng)LED的光通量的有效利用。但LED存在著固有的發(fā)光特點(diǎn)，光學(xué)擴(kuò)展量4交大，這成為其最大缺陷，不利于對其光能量的有效利用。如中國專利00804656.5，名稱為"照明設(shè)備"所揭示的，一種用于投影圖象的照明設(shè)備包括一個(gè)具有光發(fā)射窗的外殼，該外殼中具有一個(gè)光源，一個(gè)用于引導(dǎo)光源沿縱軸方向發(fā)射光束的光學(xué)系統(tǒng)，和一個(gè)設(shè)置在相對于光軸垂直方向的圖象形成表面。根據(jù)本發(fā)明，該光源為LED，該光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)用于將LED所發(fā)射的光進(jìn)行準(zhǔn)直的準(zhǔn)直組件。在光學(xué)系統(tǒng)中加入準(zhǔn)直系統(tǒng)，從而提高了LED光通量的有效利用。但是對于確定的光學(xué)應(yīng)用環(huán)境，到底使用多少個(gè)LED光學(xué)元件最優(yōu)，此專利并未涉及。在目前公開的光學(xué)元件數(shù)量選擇設(shè)計(jì)方法中，一般采用如下方式。通常為在所有系統(tǒng)效率估算好之后，可計(jì)算要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的實(shí)際LED流明數(shù)。一般的計(jì)算，只使用光效率(光學(xué)和熱)。電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。示例照明"需要的實(shí)際流明"的計(jì)算如下所需的實(shí)際流明=目標(biāo)流明/(光學(xué)效率X熱效率)。另一個(gè)需要確定的是LED的工作電流。工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時(shí)很重要，增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過，增加工作電流同時(shí)也帶來多個(gè)缺點(diǎn)，例如功耗降低、最高環(huán)境溫度降低及壽命減短等。對示例照明，使用壽命和功效是最應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)，此處以XLampXR-E數(shù)據(jù)手冊所列的最小工作電流(350mA)工作，以最大限度提高LED功效并延長使用壽命。工作電流確定之后，就可以計(jì)算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計(jì)算中考慮到了，故LED供應(yīng)商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不:^使用數(shù)據(jù)手冊給出的典型數(shù)量，大多數(shù)LED公司根據(jù)最小通量范圍銷售，根據(jù)此最小數(shù)來設(shè)計(jì)，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿足目標(biāo)要求。LED的數(shù)量計(jì)算如下，LED的數(shù)量=實(shí)際所需的流明數(shù)/每個(gè)LED的流明數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容為了進(jìn)一步增強(qiáng)LED光學(xué)元件光通量的有效利用，本發(fā)明揭示了一種LED光學(xué)元件光通量的高校利用方法，主要是根據(jù)需要的有效光通量以及LED光學(xué)元件固有的物理特性來計(jì)算LED光學(xué)元件應(yīng)用場合中實(shí)際需要的LED光學(xué)元件數(shù)量，并且揭示了提高LED光學(xué)元件利用率的設(shè)置措施。一種LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，包括，確定需要的有效光通量①"確定單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量Oi,確定單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率P,有效光通量除以單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率和單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量的乘積得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>需要的LED光學(xué)元件的數(shù)量n,即m。在本發(fā)明較佳的一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量是由單個(gè)LED光學(xué)元件的功率P和發(fā)光效率ti的乘積確定的。優(yōu)選的，發(fā)光效率ti是綜合了光學(xué)和/或熱學(xué)和或/電學(xué)系統(tǒng)后確定的。在本發(fā)明較佳的一個(gè)實(shí)施例中，LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率P是通過光學(xué)模擬軟件對準(zhǔn)直方法進(jìn)行仿真之后確定的。在本發(fā)明較佳的一個(gè)實(shí)施例中，需要的有效光通量①n是根據(jù)LED光學(xué)元件的工作環(huán)境確定的。在本發(fā)明較佳的一個(gè)實(shí)施例中，確定了LED光學(xué)元件的數(shù)量后，將LED光學(xué)元件設(shè)置在一個(gè)固定裝置上，并且在固定裝置上設(shè)置反光裝置。進(jìn)一步的，在固定裝置上設(shè)置有導(dǎo)光裝置，對LED光學(xué)元件發(fā)出的光進(jìn)行引導(dǎo)和收集。更進(jìn)一步的，在本發(fā)明實(shí)施例中，對應(yīng)不同的.LED光學(xué)元件應(yīng)用環(huán)境，在固定裝置上對LED光學(xué)元件進(jìn)行不同形狀的排版。優(yōu)選的，所述的排版是正多邊形形狀，優(yōu)選正方形或正六邊形。本發(fā)明還揭示了一種投影儀，包括，LED光學(xué)元件及固定裝置，所述的LED光學(xué)元件設(shè)置在所述的固定裝置上，其特征在于，所述的LED光學(xué)元件的需求數(shù)量n是根據(jù)計(jì)算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>得出的，其中①i是由單個(gè)LED關(guān)學(xué)元件的功率P和發(fā)光效率t]的乘積確定的，所述的發(fā)光效率n是綜合了光學(xué)和/或熱學(xué)和或/電學(xué)系統(tǒng)后確定的；其中LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率(3的數(shù)值是通過光學(xué)模擬軟件對準(zhǔn)直方法進(jìn)行仿真之后得出的；其中需要的有效光通量①n是根據(jù)LED光學(xué)元件的工作環(huán)境確定的。本發(fā)明由于主要根據(jù)需要的準(zhǔn)直光源總光通量數(shù)據(jù)方便地得出需要的LED光學(xué)元件數(shù)量，這樣可以最大限額的利用LED光學(xué)元件得光通量，節(jié)省了在照明或者顯示裝置中LED光學(xué)元件的浪費(fèi)，降低了照明裝置或顯示裝置的成本，并且節(jié)省了該裝置的能耗。附圖1為正方形準(zhǔn)直光源光束排列示意圖；附圖2為正六邊形準(zhǔn)直光源光束排列示意圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和益處更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。在本發(fā)明中，以4殳影儀產(chǎn)品的LED光學(xué)元件選4奪和i殳計(jì)為例，.但本發(fā)明揭示的設(shè)計(jì)方法同樣可以應(yīng)用于其他照明及顯示系統(tǒng)。本發(fā)明揭示一種充分有效利用LED光學(xué)元件的光通量，并實(shí)現(xiàn)在投影裝置、照明等應(yīng)用領(lǐng)域中，LED光學(xué)元件的有效利用。即在明確光源輸出需求光通量后，按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算出LED光學(xué)元件的需求數(shù)量，并根據(jù)本發(fā)明揭示的LED光學(xué)元件設(shè)置方式，提供經(jīng)濟(jì)的LED選型方案，節(jié)省時(shí)間和人力，并且提高LED光學(xué)元件的利用率，滿足節(jié)能降耗和環(huán)保要求。在投影儀設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的投影裝置在其應(yīng)用的UHP燈泡后添加高反射率材料，并形成拋物線形狀，來達(dá)到光源輸出準(zhǔn)直光線，以此達(dá)到增強(qiáng)LED的光通量的有效利用。如作為示例的本發(fā)明LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法流程圖3中所示，在本發(fā)明的設(shè)計(jì)過程中，最重要的參數(shù)之一是，需要多少個(gè)LED才能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。其它的設(shè)計(jì)決策都是圍繞LED數(shù)量展開，因?yàn)長ED數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。查看LED數(shù)據(jù)手冊列出的典型光通量，用該數(shù)除設(shè)計(jì)目標(biāo)流明，這種方法很誘人。然而，實(shí)際應(yīng)用中，這種簡化了的方法必須設(shè)有足夠的余量，不精確且導(dǎo)致不夠經(jīng)濟(jì)，否則依此設(shè)計(jì)將滿足不了應(yīng)用的照明要求。'為了進(jìn)一步增強(qiáng)LED光學(xué)元件光通量的有效利用，本發(fā)明4是供了一種LED光通量的有效利用方法，主要是根據(jù)需要的有效光通量以及LED光學(xué)元件固有的物理特性來計(jì)算各類應(yīng)用環(huán)境下需要的LED光學(xué)元件的數(shù)量，從而達(dá)到LED有效利用的目的，避免無謂的增加LED光學(xué)元件的數(shù)量，節(jié)省了整個(gè)設(shè)計(jì)的成本并滿足節(jié)能降耗的需求。LED的光通量依賴于多種因素，包括驅(qū)動電流和結(jié)溫，要準(zhǔn)確計(jì)算所需要的數(shù)量，必須首先估計(jì)光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的無效率。下表是各類系統(tǒng)下LED光學(xué)元件的損耗效率參數(shù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>參見圖3,本發(fā)明實(shí)施例具體如下步驟S1確定需要的有效光通量①n，即實(shí)際應(yīng)用環(huán)境確定其需要的有效光通量①n;步驟S2確定單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量①i，假設(shè)每顆LED光學(xué)元件的功率為P,發(fā)光效率為ri，則每顆LED光學(xué)元件發(fā)出的總光通量為=P*ri;步驟S3確定單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率P,經(jīng)過準(zhǔn)直調(diào)整后，每顆LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率為P，此處的準(zhǔn)直效率是通過光學(xué)模擬軟件對準(zhǔn)直方法進(jìn)行了仿真之后得到的數(shù)據(jù)；步驟S4有效光通量On除以單個(gè)LED光學(xué)元件準(zhǔn)直效率P和單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量①i的乘積得到需要的LED光學(xué)元件的數(shù)量n，即n顆LED光學(xué)元件經(jīng)準(zhǔn)直后可得到的有效光通量為由此，我們可以根據(jù)需要的有效光通量來計(jì)算需要的LED光學(xué)元件的數(shù)量，■此處ri是根據(jù)LED光學(xué)元件的規(guī)格而確定的數(shù)據(jù)，P是根據(jù)LED光學(xué)元件的工作環(huán)境所確定的數(shù)據(jù)，P是根據(jù)光學(xué)模擬軟件對準(zhǔn)直方法進(jìn)行模擬后得到的數(shù)據(jù)。此處確定需要的有效光通量①n，確定單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量①i和確定單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率為(3的步驟之間，并不區(qū)分先后順序。次級光學(xué)器件是除初級光學(xué)器件(即此處的LED光學(xué)元件)外附加的光學(xué)元件，用于對LED光學(xué)元件的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級光學(xué)器件類型為反射(光從某個(gè)表面反射回)，或者折射(光通過折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料)。次級光學(xué)器件可以通過購買標(biāo)準(zhǔn)件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設(shè)計(jì)定制。每個(gè)LED光學(xué)元件使用一個(gè)次級光學(xué)器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準(zhǔn)確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED光學(xué)元件的光束角度，為點(diǎn)照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。在本發(fā)明的實(shí)施例中，在投影儀內(nèi)，將多顆LED光學(xué)元件焊接在固定裝置上，例如設(shè)置一塊載板，從而加以固定設(shè)置，為了進(jìn)一步增加LED光學(xué)元件的有效利用，在LED光學(xué)元件的固定裝置上添加反光杯，在LED光學(xué)元件前添加準(zhǔn)直透鏡，這種結(jié)構(gòu)對LED光學(xué)元件的光能量利用率的提高具有很大的幫助。另外，本發(fā)明還提供了另外一種實(shí)施方法，以通過次級光學(xué)器件將LED光學(xué)元件的光收集起來，準(zhǔn)直后供使用。具體是采用了導(dǎo)光的方式，即在LED光學(xué)元件發(fā)光面前添加光導(dǎo)管，將LED光學(xué)元件發(fā)出的光收集起來，從而提高利用率。為了進(jìn)一步增加LED的有效利用，本發(fā)明實(shí)施例中，設(shè)計(jì)了才艮據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，將所需要的準(zhǔn)直光源的光束形狀進(jìn)行相應(yīng)的排版，從而輸出的光線形狀能夠最大限度的滿足需求且提高利用率。例如如果需要正方形的準(zhǔn)直光源光束可以采用圖1的排列方式，其LED光學(xué)元件是采用正方形四個(gè)頂點(diǎn)的排列方式。如果需要正六邊形或者圓形的準(zhǔn)直光源光束，可以采取圖2的排列方式，其任何三個(gè)相鄰的LED光學(xué)元件是采用正三角形頂點(diǎn)的排列方式。根據(jù)需要，LED光學(xué)元件也可采取正五邊形頂點(diǎn)排列的方式。為了進(jìn)一步增加LED光學(xué)元件的有效利用，本發(fā)明實(shí)施例中，設(shè)計(jì)了在投影儀中增加散熱系統(tǒng)，通過散熱系統(tǒng)控制結(jié)溫，從而提高LED光學(xué)元件的利用本發(fā)明主要根據(jù)需要的準(zhǔn)直光源總光通量數(shù)據(jù)方便地得出需要的LED光學(xué)元件數(shù)量，這樣可以最大限額的利用LED光學(xué)元件得光通量。節(jié)省在裝置中LED光學(xué)元件的浪費(fèi)。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1、一種LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，包括，確定需要的有效光通量Φn，確定單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量Φi，確定單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率β，有效光通量Φn除以單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率β和單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量Φi的乘積得到需要的LED光學(xué)元件的數(shù)量n，即<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>&Phi;</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>&Phi;</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo><mi>&beta;</mi><mo>.</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100205510002C1.tif"wi="39"he="11"top="56"left="115"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>2、如權(quán)利要求1所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量①i是由單個(gè)LED關(guān)學(xué)元件的功率P和發(fā)光效率r|的乘積確定的。3、如權(quán)利要求1所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的發(fā)光效率H是綜合了光學(xué)和/或熱學(xué)和或/電學(xué)系統(tǒng)后確定的。4、如權(quán)利要求1所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率P的數(shù)值是通過光學(xué)模擬軟件對準(zhǔn)直方法進(jìn)行仿真之后得出的。5、如權(quán)別要求1所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述需要的有效光通量①。是根據(jù)LED光學(xué)元件的工作環(huán)境確定的。6、如權(quán)利要求15之一所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，.其特征在于，還包括在確定了LED光學(xué)元件的數(shù)量后，將LED光學(xué)元件設(shè)置在一個(gè)固定裝置上，并且在固定裝置上設(shè)置反光裝置。7、如權(quán)利要求15之一所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括在確定了LED光學(xué)元件的數(shù)量后，將LED光學(xué)元件設(shè)置在一個(gè)固定裝置上，在固定裝置上設(shè)置有導(dǎo)光裝置，對光學(xué)元件發(fā)出的光進(jìn)行引導(dǎo)和收集。8、如權(quán)利要求15之一所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括在確定了LED光學(xué)元件的數(shù)量后，將LED光學(xué)元件設(shè)置在一個(gè)固定裝置上，對應(yīng)不同的LED光學(xué)元件應(yīng)用環(huán)境，在固定裝置上對LED光學(xué)元件進(jìn)行不同形狀的排版。9、如權(quán)利要求8所述的LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的排版是正多邊形形狀。10、一種投影儀，包括，LED光學(xué)元件及固定裝置，所述的LED光學(xué)元件設(shè)置在所述的固定裝置上，其特征在于，所述的LED光學(xué)元件的需求數(shù)量n是根據(jù)計(jì)算公式①"=JOi*(3得出的，其中①i是由單個(gè)LED關(guān)學(xué)元件的功率P和發(fā)光效率n的乘積確定的，所述的發(fā)光效率n是綜合了光學(xué)和/或熱學(xué)和或/電學(xué)系統(tǒng)后確定的；其中LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率(3的數(shù)值是通過光學(xué)模擬軟件對準(zhǔn)直方法進(jìn)行仿真之后得出的；其中需要的有效光通量①n是根據(jù)LED光學(xué)元件的工作環(huán)境確定的。全文摘要一種LED光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，包括，確定需要的有效光通量Φ_n，確定單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量Φ_i，確定單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率β，有效光通量Φ_n除以單個(gè)LED光學(xué)元件的準(zhǔn)直效率β和單個(gè)LED光學(xué)元件的光通量Φ_i的乘積得到需要的LED光學(xué)元件的數(shù)量n，即Φ_n＝∑Φ_i*β；本發(fā)明還提供一種相應(yīng)的投影儀裝置，降低了投影儀的成本及能耗。文檔編號F21V5/00GK101619830SQ20091002055公開日2010年1月6日申請日期2009年4月16日優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日發(fā)明者劉衛(wèi)東,郭大勃申請人:青島海信電器股份有限公司