基于多色LED的投影照明系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于多色LED的投影照明系统，由1个末级光源单元、2个以上的中间级光源单元、1个合色准直器和1个均光棒串联而成；有益的技术效果：本发明专利技术首先采用末级/中间级准直器将LED发出的光线进行整形，提高LED发出光线的能量利用率，然后通过合色准直器将多个LED合色后的光线进行二次整形，提高多基色LED合色后进入均光棒的能量利用率，以此提高多基色LED光源和均光棒投影照明系统的整体能量利用率，同时降低了开发和制造成本。

Projection lighting system based on multicolor LED

The invention provides a multi-color projection lighting system based on LED, by the 1 stage light source unit, intermediate light source unit, more than 2 of the 1 color combination collimator and 1 are light in series; useful technical effect: the invention firstly uses the final / intermediate level LED collimator of the light sent out plastic, improve the LED light energy utilization rate, and then through the color combination of the plurality of LED collimator color combination light after the two surgery, improve the multi color LED color combination into all light energy utilization, so as to improve the whole energy color LED light source and light are projection lighting system utilization at the same time reduces development and manufacturing costs.

【技术实现步骤摘要】
基于多色LED的投影照明系统
本专利技术涉及投影显示
，具体为基于多色LED的投影照明系统。
技术介绍
近年来，随着LED光源亮度的不断提高，并且因其具有的使用寿命长、发热量小、无环境污染等优点，正逐渐取代超高压汞灯并作为新型投影照明光源。对于投影照明光路来说，其主要功能是光源发出的光束通过投影照明光路可以实现能量的高效传输并且提供均匀的、具有一定形状的照明光斑。因而对于基于LED光源的投影照明光路来说，能量的高效传输和能够被后续光学系统高效利用是关键。目前，基于LED光源的投影照明光路根据其采用的均光整形器件可以分为均光棒方案和复眼透镜方案。对于均光棒均光照明系统，均光棒在光束均光传输过程中能量利用率较高，但由于其尺寸较小并且对于入射方棒光线的角度要求，采用LED光源作为投影光源时，通常多色合光后的光斑尺寸较大，进入均光棒并能被后续光学系统利用的有效角度内的能量较少，导致多色光LED投影光源配合均光棒的照明系统的效率较低，目前理论上基于均光棒均光的LED投影照明系统的收集效率为LED出射能量的40％。因此，目前通常是采用复眼透镜作为多色光LED光源的均光器件。但和均光棒相比，复眼透镜成本较高，设计难度较大。因此，本专利针对方棒在投影照明系统使用中存在的能量利用效率低的情况，设计新的基于多色光LED投影照明系统，有效提高投影照明系统对LED光源出射能量的高收集效率，同时降低投影照明系统的开发和制造成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种针对多基色LED光源的均光棒均光的投影照明系统，该技术针对现有多基色LED光源准直合色后进入均光棒均光光路存在的能量传输效率和利用率较低的问题，提出一种采用二次收集的技术方案，首先采用末级/中间级准直器将LED发出的光线进行整形，提高LED发出光线的能量利用率，然后通过合色准直器将多个LED合色后的光线进行二次整形，提高多个LED合色后进入均光棒的能量利用率，以此提高多色LED光源和均光棒投影照明系统的整体能量利用率，同时降低开发和制造成本。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：基于多色LED的投影照明系统，由1个末级光源单元1、2个以上的中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。其中，末级光源单元1的出光端面的中心、中间级光源单元2的出光端面的中心、合色准直器3的轴心和均光棒4的轴心均位于同一直线上。所述均光棒4为矩形。所述末级光源单元1由末级LED光源11和末级准直器12组成。其中，末级LED光源11出光方向的中心线与末级准直器12出光方向的中心线相互重合。将末级LED光源11中心线定义为主光轴线。所述中间级光源单元2包括中间级LED光源21、中间级准直器22和中间级二向色镜23。其中，中间级LED光源21出光方向的中心线与中间级准直器22出光方向的中心线相互重合。中间级准直器22的出光面与中间级二向色镜23呈45°角，且中间级光源单元2的中心即为中间级光源单元2中二向色镜23的中心。末级LED光源11出光方向的中心线、末级准直器12出光方向的中心线、中间级二向色镜23的中心、合色准直器3的轴心和均光棒4的轴心均与主光轴线相互重合。末级准直器12的出光面与主光轴线相互垂直。末级准直器12的出光面与中间级二向色镜23呈45°夹角。相邻的中间级二向色镜23之间相互平行。通过末级准直器12、中间级准直器22和中间级二向色镜23的共同作用，将末级LED光源11、中间级LED光源21产生的光汇聚到主光轴线方向上，再通过合色准直器3聚焦到均光棒4的入射口。合色准直器3是根据均光棒4的入光口径和入光角度以及前端末级光源单元1和中间级光源单元2出射的合光光束的光能量分布进行外形尺寸设计的。进一步说，本专利技术所述的基于多色LED的投影照明系统的典型技术方案是：由1个末级光源单元1、2个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。末级光源单元1中的末级LED光源11为蓝色LED。两个中间级光源单元2中的中间级LED光源21分别为红色LED和绿色LED。且绿色LED靠近合色准直器3，红色LED靠近末级光源单元1。更进一步说，本专利技术所述的基于多色LED的投影照明系统，具体为：末级光源单元1和中间级光源单元2中的LED光源为红色、绿色或蓝色LED，中间级光源单元2中的二向色镜与对应的红色、绿色、或蓝色LED的排列方式相匹配。合色准直器3的合色入射光弧面301面向均光棒4，合色出射光弧面302面向中间级光源单元2。末级蓝色光源单元1的中心线作为投影照明系统主光轴线。其中，末级蓝色光源单元1中的末级LED光源11与末级准直器12的间距L11由末级LED光源11的发光尺寸m和末级LED光源11出射的光线的临界角度决定，且末级LED光源11位于末级准直器12光线入射端内。并且L11与m、有如下函数关系：沿着末级蓝色光源单元1出光方向放置中间级红色光源单元2，中间级红色光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是实现将中间级红色LED光源21经过中间级红色准直器22出射的准直光束反射和将末级蓝色光源单元1出射的准直光束透射。中间级红色光源单元2与末级蓝色光源单元1的距离为中间级红色光源单元2出光口径的一半。其中，中间级红色光源单元2中的中间级红色LED光源21与中间级准直器22的间距L21由中间级红色LED光源21的发光单元直径m和中间级红色LED光源21出射的光线的临界角度所决定，且中间级LED光源21位于中间级准直器22光线入射端内。并且L21与m、有如下函数关系：沿着中间级红色光源单元2出光方向放置中间级绿色光源单元2，中间级绿色光源单元2中的中间级二向色镜23位于主光轴上并与主光轴正向方向夹角为45°，该中间级二向色镜23的作用是实现将中间级绿色LED光源21经过中间级绿色准直器22出射的准直光束反射和将前端出射的红色、蓝色的准直光束透射。中间级绿色光源单元2与中间级红色光源单元2的距离为L22＝D22/2+D22’/2+2mm。其中D22是中间级绿色准直器出光口径，D22’是相邻的中间级红色准直器出光口径。其中，中间级绿色光源单元2中的中间级绿色LED光源21与中间级准直器22的间距L21由中间级绿色LED光源21的发光尺寸m和中间级绿色LED光源21出射的光线的临界角度所决定，且中间级LED光源21位于中间级准直器22光线入射端内。并且L21与m、有如下函数关系：延中间级绿色光源单元2出光方向放置合色准直器3，合色准直器3与相邻的中间级绿色光源单元2之间的间距为L3＝D22’/2+2mm。其中D22’是中间级绿色光源单元中准直器出光口径。延合色准直器3出光方向放置均光棒4，合色准直器3与均光棒4之间的间距L4是由入射到合色准直器3的光束口径R和均光棒4的最大收集角度γ决定。设合色准直器3和均光棒4之间的距离为L4，L4＝R/tanγ+2mm。进一步说，本专利技术所述的基于多色LED的投影照明系统的典型技术方案是：由1个末级光源单元1、3到40个中间级光源单元2、1个合色准直器3和1个均光棒4串联而成。末级LED光源11的波长、中间级LED光源21的波长不小于750nm。末级LED光源1本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：由1个末级光源单元(1)、2个以上的中间级光源单元(2)、1个合色准直器(3)和1个均光棒(4)串联而成；其中，末级光源单元(1)的出光端面的中心、中间级光源单元(2)的出光端面的中心、合色准直器(3)的轴心和均光棒(4)的轴心均位于同一直线上；所述末级光源单元(1)由末级LED光源(11)和末级准直器(12)组成；其中，末级LED光源(11)的中心线与末级准直器(12)的中心线相互重合；将末级LED光源(11)中心线定义为主光轴线；所述中间级光源单元(2)包括中间级LED光源(21)、中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)；其中，中间级LED光源(21)的中心线与中间级准直器(22)的中心线相互重合；中间级准直器(22)的出光面与中间级二向色镜(23)呈45°角，且中间级光源单元(2)的中心即为中间级光源单元(2)中二向色镜(23)的中心；末级LED光源(11)的中心线、末级准直器(12)的中心线、中间级二向色镜(23)的中心、合色准直器(3)的轴心和均光棒(4)的轴心均与主光轴线相互重合；通过末级准直器(12)、中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)的共同作用，将末级LED光源(11)、中间级LED光源(21)产生的光汇聚到主光轴线方向上，再通过合色准直器(3)聚焦到均光棒(4)的入射口。...

【技术特征摘要】
1.基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：由1个末级光源单元(1)、2个以上的中间级光源单元(2)、1个合色准直器(3)和1个均光棒(4)串联而成；其中，末级光源单元(1)的出光端面的中心、中间级光源单元(2)的出光端面的中心、合色准直器(3)的轴心和均光棒(4)的轴心均位于同一直线上；所述末级光源单元(1)由末级LED光源(11)和末级准直器(12)组成；其中，末级LED光源(11)的中心线与末级准直器(12)的中心线相互重合；将末级LED光源(11)中心线定义为主光轴线；所述中间级光源单元(2)包括中间级LED光源(21)、中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)；其中，中间级LED光源(21)的中心线与中间级准直器(22)的中心线相互重合；中间级准直器(22)的出光面与中间级二向色镜(23)呈45°角，且中间级光源单元(2)的中心即为中间级光源单元(2)中二向色镜(23)的中心；末级LED光源(11)的中心线、末级准直器(12)的中心线、中间级二向色镜(23)的中心、合色准直器(3)的轴心和均光棒(4)的轴心均与主光轴线相互重合；通过末级准直器(12)、中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)的共同作用，将末级LED光源(11)、中间级LED光源(21)产生的光汇聚到主光轴线方向上，再通过合色准直器(3)聚焦到均光棒(4)的入射口。2.根据权利要求1所述的基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：末级光源单元(1)与相邻的中间级光源单元(2)之间的间距L12由靠近末级光源单元(1)的中间级光学单元(2)中的中间级准直器(22)出光口径所决定；相邻的两个中间级光源单元(2)之间的间距L22由靠近合色准直器(3)一侧的中间级光学单元(2)中的中间级准直器(22)的出光口径和相邻的中间级准直器(22)的出光口径所决定；合色准直器(3)与相邻的中间级光源单元(2)之间的间距L23由相邻中间级光学单元(2)中的中间准直器(22)的出光口径所确定；合色准直器(3)和均光棒(4)之间的间距L34＝R/tanγ+2mm，其中R是入射到合色准直器(3)的光束的口径；γ是能够被矩形均光棒(4)利用的光线最大收集角度。3.根据权利要求1所述的基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：末级LED光源(11)和末级准直器(12)的相对位置为末级LED光源(11)和末级准直器(12)放置在同一个面上，并处于末级准直器(12)的内部空心结构的中心；中间级LED光源(21)和中间级准直器(22)的相对位置为中间级LED光源(21)和中间级准直器(22)放置在同一个面上，并处于中间级准直器(22)的内部空心结构的中心；中间级准直器(22)和中间级二向色镜(23)的间距应满足：中间级准直器(22)出射的准直光束能够被中间级二向色镜(23)完全反射到下一级的中间级光源单元(2)中。4.根据权利要求1所述的基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：末级准直器(12)的截面由末级外弧面(1201)、末级出射平面(1202)、末级入射弧面(1203)、末级入射直面(1204)四部分组成，相互尺寸关系如下：令末级外弧面(1201)与末级入射直面(1204)的交点为QM，即交点QM＝(h，0)，则末级入射直面(1204)为起点QM＝(h，0)的线段，终点为该直线与末级入射弧面(1203)的交点；令末级入射弧面(1203)与y轴的交点为P1(0，t)；设从O点发出光线的角度为为LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角；设末级入射弧面(1203)是由m个点构成的点序列拟合成的曲线，m不小于10，m与θ相对应；令LED发光角度为θi的光线入射到末级入射弧面(1203)时在Pi(xi，yi)点发生折射，折射光线垂直于x轴出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射角为θαi；经过末级入射弧面(1203)发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，折射角为θβi；末级入射弧面(1203)在Pi(xi，yi)点处的切线Ti与水平方向夹角为θTi；构成末级入射弧面(1203)轮廓的m个点的坐标均是通过下述公式迭代求出：以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，θi+1＝θi+△θ，i＝1～m，的整数部分；当θ＝θi,即光源出射光线的角度为θi时，根据公式1可得到θTi：根据θTi和此时光线与末级入射弧面(1203)的交点Pi(xi，yi)，得到Pi点的切线方程为：y＝tan(θTi)x+(yi-tan(θTi)xi)(式2)当θ＝θi+1时，θi+1＝θi+△θ，此时过原点O的入射光线为：联立式2和式3，得到末级入射弧面(1203)的下个坐标点Pi+1(xi+1，yi+1)；以0°为起点，i从1到m，θ从θ1以△θ增加到θm时，通过上述迭代，得到的整数部分对应的各点坐标值Pi(xi，yi)；最终将获得的P1(0,t)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)……Pm(xm,ym)连起来拟合成曲线后，得到末级入射弧面(1203)；末级入射外弧面(1201)是由n个点构成的点序列拟合成的曲线，n不小于10；设LED光源出射光线的角度满足以为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θj，j＝1～n；令LED发光角度为θj的光线入射到末级入射直面(1204)时在Qj(h，yS2-j)点发生折射，折射光线在末级外弧面(1201)的Rj(xS3-j，yS3-j)点发生全反射；入射光线在末级入射直面(1204)处的入射角为θaj，折射角为θbj，在末级外弧面(1201)的全反射角为θcj，末级入射直面(1204)与x轴的交点为QM(h，0)，末级入射直面(1204)与x轴夹角θdj为90°；fj＇(x)为末级外弧面(1201)上的任意一点Rj(xS3-j，yS3-j)处的切线的斜率；构成末级入射外弧面(1204)轮廓的n个点通过下述公式迭代求出：末级外弧面(1201)上各点坐标由下面方程组得到：式中，(xS3-j，yS3-j)和(xS3-(j-1)，yS3-(j-1))表示曲线末级外弧面(1201)上相邻的两个点，(xS2-j，yS2-j)为末级入射直面(1204)上相应点坐标；根据上述计算，可以得到θ＝θj时，末级外弧面(1201)的点Rj(xS3-j，yS3-j)；将获得的Rn(h，0)、Rn-1(xs3-(n-1),ys3-(n-1))、Rn-2(xs3-(n-2),ys3-(n-2))……R1(xs3-1,ys3-1)一系列坐标点连起来得到末级外弧面(1201)。5.根据权利要求1所述的基于多色LED的投影照明系统，其特征在于：中间级准直器(22)的截面由中间级外弧面(2201)、中间级出射平面(2202)、中间级入射弧面(2203)、中间级入射直面(2204)共4部分组成；令中间级外弧面(2201)与中间级入射直面(2204)的交点为QM，＝(h，0)，则中间级入射直面(2204)为起点QM＝(h，0)的线段，终点为该直线与中间级入射弧面(2203)的交点；令中间级入射弧面(2203)与y轴的交点为P1(0，t)；设从O点发出光线的角度为为LED光源出射光线的视角曲线的半亮度角；设中间级入射弧面(2203)是由m个点构成的点序列拟合成的曲线，m不小于10，m与θ相对应；令LED发光角度为θi的光线入射到中间级入射弧面(2203)时在Pi(xi，yi)点发生折射，折射光线垂直于x轴出射，入射光线所在空间的介质折射率为n1，入射角为θαi；经过中间级入射弧面(2203)发生折射后折射光线所在空间的介质折射率为n2，折射角为θβi；中间级入射弧面(2203)在Pi(xi，yi)点处的切线Ti与水平方向夹角为θTi；构成中间级入射弧面(2203)轮廓的m个点的坐标均是通过下述公式迭代求出：以0°为起点，将θ每隔△θ进行分割，获得一系列θi，θi+1＝θi+△θ，i＝1～m，的整数部分；当θ＝θi,即光源出射光线的角度为θi时，根据如下公式可得到θTi：根据θTi和此时光线与中间级入射弧面(2203)的交点Pi(xi，yi)，可以得到Pi点的切线方程，如下式表示：y＝tan(θTi)x+(yi-tan(θTi)xi)(式7)当θ＝θi+1时，θi+1＝θi+△θ，此时过原点O的入射光线可由下式表示：联立式7和式8，得到中间级入射弧面(2203)的下个坐标点Pi+1(xi+1，yi+1)；以0°为起点...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯奇斌，刘子学，裴治棋，吕国强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34