CN103968270A - 一种led光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种LED光源系统和一种LED照明装置，包括LED芯片阵列，准直透镜阵列，第一复眼透镜和第二复眼透镜。其中，第一复眼透镜包括紧密排列的正六边形微透镜阵列，第二复眼透镜包括矩形微透镜阵列；第二复眼透镜上的每个矩形微透镜与第一复眼透镜上的每个正六边形微透镜一一对应，矩形的中心与正六边形的中心重合，且矩形短边的长度等于第一复眼透镜上每个正六边形微透镜边长的1.5倍，；LED芯片经过准直透镜和第一复眼透镜的正六边形微透镜后在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的至少两边与该矩形微透镜的边重合。本发明中LED芯片的像能很好地匹配第二复眼透镜的矩形通光孔径，使系统的光学扩展量减小，亮度提高。

Description

一种LED光源系统

技术领域

本发明涉及投影及照明等光源领域，尤其涉及一种LED光源系统和使用该LED光源系统的LED照明装置。

背景技术

传统的大功率舞台灯光照明设备一般采用金卤放电泡作为光源。由于金卤放电泡是白色光源，当要产生彩色光时，需在金卤放电泡前设置滤光片来实现不同颜色的光输出。这种光源的缺陷在于金卤放电泡使用寿命低，仅有几百小时到数千小时不等；滤光片又使得投射出的彩色光饱和度低、不鲜艳，且获得的灯光色彩也不丰富。

大功率发光二极管LED由于具有安全无污染、使用寿命高等优点，已经在照明领域内逐渐成为开发应用的首选装置，其使用寿命可达十万小时。目前，将大功率LED作为舞台照明光源已经成为可能。如申请号为200680051901.7的中国专利申请所公开的，采用了分别发出红色光、绿色光和蓝色光的三个LED阵列，将集光器所收集的三种单色光经过光混合装置合成为白光，并可通过调节三种单色LED阵列的电流以获得不同色彩的光束，由于没有使用滤光片，最终形成光束的色彩饱和度高，且色彩表现的自由度非常高。

然而，目前单个LED芯片的光通量有限，远不能满足舞台灯光照明的要求，所以通常都是将LED芯片排成阵列来实现高亮度的光输出。为了实现匀光，在光源系统中通常会使用复眼透镜对，然而，在现有技术中，所使用的复眼透镜对都是由彼此完全相同的复眼透镜组成，为了与整个系统的光阑匹配，所用复眼透镜中的每个微透镜的通光孔径被设置成正六边形，而现有LED芯片的尺寸多为方形，这就使得方形LED芯片的像与复眼透镜中每个微透镜的通光孔径不匹配，从而导致系统的光学扩展量增大，亮度降低。虽然可以将每个LED芯片切割成正六边形来实现LED芯片的像与第二复眼透镜中每个微透镜的通光孔径的匹配，然而正六边形的LED芯片无法通过裂片获取，这使得芯片划片成本高，制作困难。

发明内容

本发明是在保持第一复眼透镜中单个微透镜为正六边形结构的前提下，解决LED芯片的像光斑与第二复眼透镜中微透镜的通光孔径的匹配问题，从而使系统的光学扩展量减小，亮度提高。

为了解决以上问题，本发明提出了一种LED光源系统，包括：LED芯片阵列，包括至少两个LED芯片，每个LED芯片的发光面为正方形或长宽比大于1而小于等于的矩形；位于LED芯片阵列之后的准直透镜阵列，包括至少两个准直透镜，每个准直透镜至少对应一个LED芯片，用来对LED芯片阵列发出的光束进行准直；位于准直透镜阵列之后的第一复眼透镜，第一复眼透镜包括紧密排列的正六边形微透镜阵列；位于第一复眼透镜后焦平面的第二复眼透镜，第二复眼透镜包括矩形微透镜阵列；其中，第二复眼透镜上的每个矩形微透镜与第一复眼透镜上的每个正六边形微透镜一一对应，矩形的中心与正六边形的中心重合，矩形的长边与LED芯片的长边平行，矩形的短边与LED芯片的短边平行，且矩形短边的长度等于第一复眼透镜上每个正六边形微透镜边长的1.5倍，而矩形的长宽比大于等于LED芯片的长宽比。LED芯片经过准直透镜和第一复眼透镜的正六边形微透镜后在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的至少两边与该矩形微透镜的边重合。

优选的，第二复眼透镜上的每个矩形微透镜紧密排列。

优选的，LED经准直透镜后在沿LED芯片两个相互垂直的边方向上的发散角分别为预定值，使得LED芯片在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的长宽比等于矩形微透镜的长宽比。

优选的，准直透镜的两个通光表面为沿LED芯片两个相互垂直的边方向延伸的柱面。

优选的，准直透镜的外形为长方形。

优选的，准直透镜的两个通光表面的柱面的焦平面重合，LED芯片位于该焦平面上。

优选的，准直透镜由两个分别沿LED芯片两个相互垂直的边方向延伸的柱面镜前后放置组合而成。

优选的，两个柱面镜的焦平面重合，LED芯片位于该焦平面上。

优选的，准直透镜阵列中各准直透镜紧密相接。

本发明还提出一种LED照明装置，包括上述的LED光源系统。

利用本发明的方案，由于第二复眼透镜上的每个矩形微透镜与第一复眼透镜上的每个正六边形微透镜一一对应，矩形的中心与正六边形的中心重合，同时矩形的长边与LED芯片的长边平行，矩形的短边与LED芯片的短边平行，且矩形短边的长度等于第一复眼透镜上每个正六边形微透镜边长的1.5倍，而矩形的长宽比大于等于LED芯片的长宽比，同时通过设计准直透镜和第一复眼透镜可以实现LED芯片经过准直透镜和第一复眼透镜的正六边形微透镜后在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的至少两边与该矩形微透镜的边重合，此时相比于现有技术LED芯片的像更充分的填充第二复眼透镜的微透镜，使得光学扩展量的浪费得以减小，光源系统的亮度得以提高。

附图说明

图1是现有技术中一种LED舞台灯的结构示意图；

图2a为图1所示的光源系统中第一复眼透镜和第二复眼透镜内单个微透镜的成像原理图；

图2b为第一复眼透镜上单个微透镜在系统光阑处所成的像；

图3为第二复眼透镜的微透镜阵列的正视图和LED芯片的像的排布

图；

图4为本发明第一实施例的系统结构图；

图5为本发明第一实施例中所设计的第二复眼透镜的前视图；

具体实施方式

针对背景技术中的问题，发明人做了有针对性的研究。图1为现有技术中LED舞台灯的结构示意图，其中11为LED芯片阵列，通常由R、G、B、W四种LED芯片混合排列而成，12为准直透镜阵列，13第一复眼透镜，14第二复眼透镜，15为聚光透镜，16为图案片，其上的通光孔径161构成整个光源系统的光阑。准直透镜阵列12通常由2个或2个以上的透镜阵列组成，该阵列与LED芯片的阵列一一对应，用于对LED芯片发出的光束进行准直。由于LED芯片并非理想点光源，通常具有1mm*1mm的方形发光面，其产生的光束经准直透镜阵列12准直后不可能成为理想的平行光，而是具有一定的发散角。第一复眼透镜13和第二复眼透镜14用于对该发散光束进行匀光。

现有技术中，第一复眼透镜13和第二复眼透镜14为彼此完全相同的复眼透镜，他们之间的距离与两复眼透镜的焦距相等（本发明所谓的复眼透镜的焦距，指的是复眼透镜中每个微透镜的焦距），即第一复眼透镜13设置在第二复眼透镜14的前焦平面上，第二复眼透镜14设置在第一复眼透镜13的后焦平面上。经过第一复眼透镜13和第二复眼透镜14匀光后的光束，接着被会聚透镜15会聚到整个系统的光阑161。

具体分析从准直透镜阵列12出射的光束经第一复眼透镜13、第二复眼透镜14以及会聚透镜15的传播过程可知，第二复眼透镜14和会聚透镜15一起将第一复眼透镜13上的每个微透镜成像在了光阑161的位置，如图2a所示。图2a为图1所示的光源系统中第一复眼透镜13和第二复眼透镜14进行成像的原理图。其中131为第一复眼透镜13上的任意一个微透镜，141为第二复眼透镜14上与该微透镜131对应的微透镜，设微透镜131的通光孔径为D（D也是正六边形的边长），焦距为F。已知透镜131和141的焦距相等，都为F，且它们之间的空间距离也为F。为了利用透镜141和15将透镜131的像成像在光阑161的位置，只需使光阑161位于透镜15的后焦平面即可。由于实际应用的需要，光阑161须为圆形，而微透镜131的通光孔径却无法加工成圆形（圆形的通光孔径无法紧密排满整个平面，这样，会导致相邻透镜之间存在间隙，间隙中的光能量将被损失掉）。为了使透镜131的通光孔径和圆形光阑161尽可能匹配，透镜131的通光孔径通常被设计成正六边形。正六边形孔径的像也是六边形，如图2b所示。图2b为透镜131被透镜141和15所成的像，其中，161为圆形光阑，132为透镜131的像。

现有技术中，为了满足第一复眼透镜与第二复眼透镜中微透镜的一一对应关系，第一复眼透镜上的微透镜阵列排列方式必须与第二复眼透镜上的微透镜阵列排列方式相同；目前的做法是加工使得第一复眼透镜13和第二复眼透镜14为彼此完全相同，即当第一复眼透镜13中的微透镜为正六边形时，第二复眼透镜14中的微透镜也将被加工成相同大小的正六边形。然而，准直透镜阵列12和第一复眼透镜13中的每个微透镜都会将LED芯片11在第二复眼透镜14对应的微透镜上成像；由于当前LED芯片尺寸多为方形，例如，1mm x1mm，所以其像也将是一个方形光斑。像的大小由从准直透镜阵列12出射的光束的发散角以及第一复眼透镜13的焦距决定：设LED芯片发出的光束经准直透镜阵列12准直后，准直光束的发散角为±θ，第一复眼透镜13的焦距为F，则光斑像的大小L为：

L=2Ftan(θ) （1）

其中，发散半角θ是通过对准直透镜进行设计来实现控制的。

像的大小虽然可以任意控制，但由于光学扩展量守恒的原理，像的大小仍需要控制到一个最佳值。一方面，每一个像不能超出第二复眼透镜上的微透镜的范围，若超出则超出部分不能有效传播而形成光损耗；另一方面，若每一个像都小于其对应的第二复眼透镜上的微透镜的尺寸，则由于光学扩展量守恒（指的是光束的发光面积与发散角的乘积为常数）发散角相应的过大，整个光源的光学扩展量造成浪费，这影响整个系统的发光亮度。

由此可见，像的大小需要控制到尽量的充满第二复眼透镜上的微透镜。然而，由于正方形LED芯片与第二复眼透镜的正六边形微透镜的形状不相同，如图3所示，在最佳情况下，LED芯片在第二复眼透镜上的像111内接于第二复眼透镜的微透镜143。此时，各LED芯片的像之间还存在大量的空隙没有被填满，形成了大量的光学扩展量的浪费，从而降低了系统的亮度。

下面结合具体实施例来对本发明进行说明。

实施例一

本实施例的光源系统的总体结构如图4所示。该光源系统包括LED芯片阵列，该LED芯片阵列包括至少两个LED芯片41，每个LED芯片41的发光面为正方形。该光源系统还包括位于LED芯片阵列之后的准直透镜阵列42，准直透镜阵列42包括至少两个准直透镜，每个准直透镜至少对应一个LED芯片，用来对LED芯片阵列发出的光束进行准直；在本实施例中，一个准直透镜由两个透镜前后放置共同组成一个透镜组来实现。光源系统还包括位于准直透镜阵列42之后的第一复眼透镜43，第一复眼透镜43包括紧密排列的正六边形微透镜阵列；还包括位于第一复眼透镜后焦平面的第二复眼透镜44，第二复眼透镜包括矩形微透镜阵列。

其中，第二复眼透镜的微透镜阵列的正视图如图5所示，其中133为第一复眼透镜43表面微透镜的正六边形通光口径在第二复眼透镜上的投影，111（阴影部分）为LED芯片11在第二复眼透镜44表面所成的像。第二复眼透镜44上的每个矩形微透镜143与第一复眼透镜上的每个正六边形微透镜133一一对应，矩形的中心与正六边形的中心重合，矩形的两个相邻边分别与LED芯片的两个相邻边平行，且矩形短边的长度等于第一复眼透镜上每个正六边形微透镜边长的1.5倍，矩形长边的长度等于第一复眼透镜上每个正六边形微透镜边长的倍。此时各矩形微透镜143紧密排列，同时也满足了矩形微透镜143的排列方式与第一复眼透镜的正六边形微透镜133的排列方式相同，实现了两者之间的一一对应。

如前所述的，通过设计准直透镜和第一复眼透镜，可以控制LED芯片经过准直透镜和第一复眼透镜的正六边形微透镜后在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的大小。在本实施例中，控制LED芯片在矩形微透镜上的像111的至少两边与该矩形微透镜的边重合，此时相比于现有技术的情况（如图3所示），LED的像111显然更充分的填充了第二复眼透镜的微透镜的范围，相邻的LED的像的间距减小了，光学扩展量的浪费降低了，这样光源系统的亮度得以提高。

设矩形微透镜143的短边长为d1，长边长为d2，正六边形微透镜133的边长为D。在本实施例中，由于LED芯片为正方形的，因此LED芯片的像在矩形微透镜143的长边方向仍不能填满。这就带来了另外两种可能的情况：

1.矩形微透镜143的长边长度d2可以缩短，只要该长边长度大于等于d1就可以覆盖正方形LED芯片的像，就可以实现本发明的有益效果；

2.可以使用长方形的LED芯片，只要该LED芯片的长宽比小于等于同时保证矩形微透镜的长边与LED芯片的长边平行，矩形微透镜的短边与LED芯片的短边平行，就能够实现矩形微透镜覆盖LED芯片的像，实现本发明的有益效果。

综合上面两种情况可知，LED芯片的外形可能是正方形，也可能是长宽比大于1而小于等于的矩形，而矩形微透镜的长边长度则可以在d1至d2之间选择，只要矩形微透镜的长宽比大于等于LED芯片的长宽比，本发明即具有有益效果，这些情况就应当属于本发明的保护范围。

在本实施例中，准直透镜阵列42中的准直透镜与芯片41一一对应，在实际应用中，一个准直透镜也可能对应于多颗LED芯片。例如一个准直透镜对四颗呈田字型紧密排列在一起的LED芯片进行准直。此时应将该四颗LED芯片看作一个大的LED芯片，只要该芯片的外形满足正方形或长宽比大于1而小于等于的矩形这样的条件，就应当属于本发明的保护范围。

实施例二

在实施例一中，LED芯片的像在矩形微透镜的长边方向仍不能填满，光学扩展量仍然存在浪费。在本实施例中，LED经准直透镜后在沿LED芯片两个相互垂直的边方向上的发散角为预定值，根据公式（1），只要控制LED经准直透镜后在沿LED芯片两个相互垂直的边方向上的发散角为预定值，就可以控制LED芯片在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的长宽比；使该长宽比等于矩形微透镜的长宽比，这样可以使LED芯片的像完全填充矩形微透镜，此时的亮度最高。

举例来说，矩形微透镜143的长宽比最大为此时对应于矩形微透镜143彼此紧密相接。此时LED芯片的像需要为则根据公式（1），沿LED芯片两个正交的边的方向的发散半角的正切值之比为（F对两个方向为常数），约等于1.155。这样，控制一个方向的发散半角为第一预定值θ₁，另一个方向的发散半角为第二预定值θ₂=arctg(1.155tg(θ₁))，就可以实现使LED芯片的像完全填充矩形微透镜的目的。当θ₁、θ₂都是小角度时，两者的关系可以近似表示为：

θ₂=1.155θ₁ （2）

例如第一预定值θ₁为5度，则第二预定值θ₂为5.775度，这样就可以实现使LED芯片的像完全填充矩形微透镜的目的。

然而，对于正方形的LED芯片，使用普通的准直透镜难以实现在两个正交方向上的发散半角不同的效果。在本实施例中，实现LED经准直透镜后在沿LED芯片两个相互垂直的边方向上的发散角为预定值的方法是：设计准直透镜，使其由两个分别沿LED芯片两个相互垂直的边方向延伸的柱面镜前后放置组合而成。其中，该两个柱面镜分别在两个方向上实现对LED发光的准直。通过分别设计这两个柱面镜的曲率和外形，可以实现对LED发光准直后在两个方向上的发散角分别控制实现前述的第一预定值和第二预定值。

这两个柱面镜最常见的设计方法是，两个柱面镜的具有不同的焦距，控制其摆放位置使得两个柱面镜的焦平面重合，且LED芯片位于该焦平面上。此时，远离LED芯片的柱面镜可以是长方形的，该长方形的短边方向之所以可以较短，就是由于在这个方向上LED芯片的像在第二复眼透镜上充满了矩形微透镜而减小了光学扩展量。这样，设置准直透镜阵列中各准直透镜紧密相接，在柱面镜的短边方向上，在有限的空间里就可以放置更多的柱面镜，进而可以放置更多的LED芯片，从而提高光源系统的亮度。

除了使用两个柱面镜外，还存在另外两种实现在两个正交方向上LED准直光的发散角不同的方法。第一种是准直透镜只使用一片透镜，该透镜的两个通光表面为沿LED芯片两个相互垂直的边方向延伸的柱面，最常用的做法是该两个通光表面的柱面的焦平面重合，LED芯片位于该焦平面上。该准直透镜与上述的两个柱面镜工作原理相近，此处不再赘述。可以理解，该准直透镜可以是长方形的，这样同样可以在相同空间里增加LED的使用。第二种是只利用准直透镜的一个表面来实现，这需要利用非成像光学的设计方法来实现。

本发明还提出一种LED照明装置，包括上述的LED光源系统。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种LED光源系统，包括：

LED芯片阵列，包括至少两个LED芯片，所述每个LED芯片的发光面为正方形或长宽比大于1而小于等于的矩形；

位于所述LED芯片阵列之后的准直透镜阵列，包括至少两个准直透镜，每个准直透镜至少对应一个LED芯片，用来对LED芯片阵列发出的光束进行准直；

位于准直透镜阵列之后的第一复眼透镜，所述第一复眼透镜包括紧密排列的正六边形微透镜阵列；

位于第一复眼透镜后焦平面的第二复眼透镜，所述第二复眼透镜包括矩形微透镜阵列；

所述第二复眼透镜上的每个矩形微透镜与第一复眼透镜上的每个正六边形微透镜一一对应，矩形的中心与正六边形的中心重合，矩形的长边与所述LED芯片的第一边平行，矩形的短边与所述LED芯片的第二边平行，第一边长度大于等于第二边，且矩形短边的长度等于第一复眼透镜上每个正六边形微透镜边长的1.5倍，而矩形的长宽比大于等于所述LED芯片的长宽比；

LED芯片经过所述准直透镜和第一复眼透镜的正六边形微透镜后在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的至少两边与该矩形微透镜的边重合。

2.根据权利要求1所述的LED光源系统，其特征在于：所述第二复眼透镜上的各个矩形微透镜紧密排列。

3.根据权利要求1所述的LED光源系统，其特征在于：LED经所述准直透镜后在沿LED芯片两个相互垂直的边的方向上的发散角分别为预定值，使得LED芯片在第二复眼透镜的矩形微透镜上所成的像的长宽比等于矩形微透镜的长宽比。

4.根据权利要求3所述的LED光源系统，其特征在于：所述准直透镜的两个通光表面为沿LED芯片两个相互垂直的边的方向延伸的柱面。

5.根据权利要求4所述的LED光源系统，其特征在于：所述准直透镜的外形为长方形。

6.根据权利要求4所述的LED光源系统，其特征在于：所述准直透镜的两个通光表面的柱面的焦平面重合，所述LED芯片位于该焦平面上。

7.根据权利要求3所述的LED光源系统，其特征在于：所述准直透镜由两个分别沿LED芯片两个相互垂直的边方向延伸的柱面镜前后放置组合而成。

8.根据权利要求7所述的LED光源系统，其特征在于：所述两个柱面镜的焦平面重合，所述LED芯片位于该焦平面上。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的LED光源系统，其特征在于：所述准直透镜阵列中各准直透镜紧密相接。

10.一种LED照明装置，其特征在于：包括权利要求1至9任一项所述的LED光源系统。