一種led光源系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種LED光源系統和一種LED照明裝置，包括LED芯片陣列，準直透鏡陣列，第一復眼透鏡和第二復眼透鏡。其中，第一復眼透鏡包括緊密排列的正六邊形微透鏡陣列，第二復眼透鏡包括矩形微透鏡陣列；第二復眼透鏡上的每個矩形微透鏡與第一復眼透鏡上的每個正六邊形微透鏡一一對應，矩形的中心與正六邊形的中心重合，且矩形短邊的長度等于第一復眼透鏡上每個正六邊形微透鏡邊長的1.5倍，；LED芯片經過準直透鏡和第一復眼透鏡的正六邊形微透鏡后在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的至少兩邊與該矩形微透鏡的邊重合。本發(fā)明中LED芯片的像能很好地匹配第二復眼透鏡的矩形通光孔徑，使系統的光學擴展量減小，亮度提高。
【專利說明】—種LED光源系統
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及投影及照明等光源領域，尤其涉及一種LED光源系統和使用該LED光源系統的LED照明裝置。
【背景技術】
[0002]傳統的大功率舞臺燈光照明設備一般采用金鹵放電泡作為光源。由于金鹵放電泡是白色光源，當要產生彩色光時，需在金鹵放電泡前設置濾光片來實現不同顏色的光輸出。這種光源的缺陷在于金鹵放電泡使用壽命低，僅有幾百小時到數千小時不等；濾光片又使得投射出的彩色光飽和度低、不鮮艷，且獲得的燈光色彩也不豐富。
[0003]大功率發(fā)光二極管LED由于具有安全無污染、使用壽命高等優(yōu)點，已經在照明領域內逐漸成為開發(fā)應用的首選裝置，其使用壽命可達十萬小時。目前，將大功率LED作為舞臺照明光源已經成為可能。如申請?zhí)枮?00680051901.7的中國專利申請所公開的，采用了分別發(fā)出紅色光、綠色光和藍色光的三個LED陣列，將集光器所收集的三種單色光經過光混合裝置合成為白光，并可通過調節(jié)三種單色LED陣列的電流以獲得不同色彩的光束，由于沒有使用濾光片，最終形成光束的色彩飽和度高，且色彩表現的自由度非常高。
[0004]然而，目前單個LED芯片的光通量有限，遠不能滿足舞臺燈光照明的要求，所以通常都是將LED芯片排成陣列來實現高亮度的光輸出。為了實現勻光，在光源系統中通常會使用復眼透鏡對，然而，在現有技術中，所使用的復眼透鏡對都是由彼此完全相同的復眼透鏡組成，為了與整個系統的光闌匹配，所用復眼透鏡中的每個微透鏡的通光孔徑被設置成正六邊形，而現有LED芯片的尺寸多為方形，這就使得方形LED芯片的像與復眼透鏡中每個微透鏡的通光孔徑不匹配，從而導致系統的光學擴展量增大，亮度降低。雖然可以將每個LED芯片切割成正六邊形來實現LED芯片的像與第二復眼透鏡中每個微透鏡的通光孔徑的匹配，然而正六邊形的LED芯片無法通過裂片獲取，這使得芯片劃片成本高，制作困難。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明是在保持第一復眼透鏡中單個微透鏡為正六邊形結構的前提下，解決LED芯片的像光斑與第二復眼透鏡中微透鏡的通光孔徑的匹配問題，從而使系統的光學擴展量減小，売度提聞。
[0006]為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種LED光源系統，包括:LED芯片陣列，包括至少兩個LED芯片，每個LED芯片的發(fā)光面為正方形或長寬比大于I而小于等于2:七的矩形；位于LED芯片陣列之后的準直透鏡陣列，包括至少兩個準直透鏡，每個準直透鏡至少對應一個LED芯片，用來對LED芯片陣列發(fā)出的光束進行準直；位于準直透鏡陣列之后的第一復眼透鏡，第一復眼透鏡包括緊密排列的正六邊形微透鏡陣列；位于第一復眼透鏡后焦平面的第二復眼透鏡，第二復眼透鏡包括矩形微透鏡陣列；其中，第二復眼透鏡上的每個矩形微透鏡與第一復眼透鏡上的每個正六邊形微透鏡一一對應，矩形的中心與正六邊形的中心重合，矩形的長邊與LED芯片的長邊平行，矩形的短邊與LED芯片的短邊平行，且矩形短邊的長度等于第一復眼透鏡上每個正六邊形微透鏡邊長的1.5倍，而矩形的長寬比大于等于LED芯片的長寬比。LED芯片經過準直透鏡和第一復眼透鏡的正六邊形微透鏡后在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的至少兩邊與該矩形微透鏡的邊重合。
[0007]優(yōu)選的，第二復眼透鏡上的每個矩形微透鏡緊密排列。
[0008]優(yōu)選的，LED經準直透鏡后在沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向上的發(fā)散角分別為預定值，使得LED芯片在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的長寬比等于矩形微透鏡的長寬比。
[0009]優(yōu)選的，準直透鏡的兩個通光表面為沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向延伸的柱面。
[0010]優(yōu)選的，準直透鏡的外形為長方形。
[0011]優(yōu)選的，準直透鏡的兩個通光表面的柱面的焦平面重合，LED芯片位于該焦平面上。
[0012]優(yōu)選的，準直透鏡由兩個分別沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向延伸的柱面鏡前后放置組合而成。
[0013]優(yōu)選的，兩個柱面鏡的焦平面重合，LED芯片位于該焦平面上。
[0014]優(yōu)選的，準直透鏡陣列中各準直透鏡緊密相接。
[0015]本發(fā)明還提出一種LED照明裝置，包括上述的LED光源系統。
[0016]利用本發(fā)明的方案，由于第二復眼透鏡上的每個矩形微透鏡與第一復眼透鏡上的每個正六邊形微透鏡一一對應，矩形的中心與正六邊形的中心重合，同時矩形的長邊與LED芯片的長邊平行，矩形的短邊與LED芯片的短邊平行，且矩形短邊的長度等于第一復眼透鏡上每個正六邊形微透鏡邊長的1.5倍，而矩形的長寬比大于等于LED芯片的長寬比，同時通過設計準直透鏡和第一復眼透鏡可以實現LED芯片經過準直透鏡和第一復眼透鏡的正六邊形微透鏡后在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的至少兩邊與該矩形微透鏡的邊重合，此時相比于現有技術LED芯片的像更充分的填充第二復眼透鏡的微透鏡，使得光學擴展量的浪費得以減小，光源系統的亮度得以提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現有技術中一種LED舞臺燈的結構示意圖；
[0018]圖2a為圖1所示的光源系統中第一復眼透鏡和第二復眼透鏡內單個微透鏡的成像原理圖；
[0019]圖2b為第一復眼透鏡上單個微透鏡在系統光闌處所成的像；
[0020]圖3為第二復眼透鏡的微透鏡陣列的正視圖和LED芯片的像的排布圖；
[0021]
[0022]圖4為本發(fā)明第一實施例的系統結構圖；
[0023]圖5為本發(fā)明第一實施例中所設計的第二復眼透鏡的前視圖；
【具體實施方式】
[0024]針對【背景技術】中的問題，發(fā)明人做了有針對性的研究。圖1為現有技術中LED舞臺燈的結構示意圖，其中11為LED芯片陣列，通常由R、G、B、W四種LED芯片混合排列而成，12為準直透鏡陣列，13第一復眼透鏡，14第二復眼透鏡，15為聚光透鏡，16為圖案片，其上的通光孔徑161構成整個光源系統的光闌。準直透鏡陣列12通常由2個或2個以上的透鏡陣列組成，該陣列與LED芯片的陣列一一對應，用于對LED芯片發(fā)出的光束進行準直。由于LED芯片并非理想點光源，通常具有的方形發(fā)光面，其產生的光束經準直透鏡陣列12準直后不可能成為理想的平行光，而是具有一定的發(fā)散角。第一復眼透鏡13和第二復眼透鏡14用于對該發(fā)散光束進行勻光。
[0025]現有技術中，第一復眼透鏡13和第二復眼透鏡14為彼此完全相同的復眼透鏡，他們之間的距離與兩復眼透鏡的焦距相等(本發(fā)明所謂的復眼透鏡的焦距，指的是復眼透鏡中每個微透鏡的焦距)，即第一復眼透鏡13設置在第二復眼透鏡14的前焦平面上，第二復眼透鏡14設置在第一復眼透鏡13的后焦平面上。經過第一復眼透鏡13和第二復眼透鏡14勻光后的光束，接著被會聚透鏡15會聚到整個系統的光闌161。
[0026]具體分析從準直透鏡陣列12出射的光束經第一復眼透鏡13、第二復眼透鏡14以及會聚透鏡15的傳播過程可知，第二復眼透鏡14和會聚透鏡15—起將第一復眼透鏡13上的每個微透鏡成像在了光闌161的位置，如圖2a所示。圖2a為圖1所示的光源系統中第一復眼透鏡13和第二復眼透鏡14進行成像的原理圖。其中131為第一復眼透鏡13上的任意一個微透鏡，141為第二復眼透鏡14上與該微透鏡131對應的微透鏡，設微透鏡131的通光孔徑為D (D也是正六邊形的邊長)，焦距為F。已知透鏡131和141的焦距相等，都為F，且它們之間的空間距離也為F。為了利用透鏡141和15將透鏡131的像成像在光闌161的位置，只需使光闌161位于透鏡15的后焦平面即可。由于實際應用的需要，光闌161須為圓形，而微透鏡131的通光孔徑卻無法加工成圓形(圓形的通光孔徑無法緊密排滿整個平面，這樣，會導致相鄰透鏡之間存在間隙，間隙中的光能量將被損失掉)。為了使透鏡131的通光孔徑和圓形光闌161盡可能匹配，透鏡131的通光孔徑通常被設計成正六邊形。正六邊形孔徑的像也是六邊形，如圖2b所示。圖2b為透鏡131被透鏡141和15所成的像，其中，161為圓形光闌，132為透鏡131的像。
[0027]現有技術中，為了滿足第一復眼透鏡與第二復眼透鏡中微透鏡的一一對應關系，第一復眼透鏡上的微透鏡陣列排列方式必須與第二復眼透鏡上的微透鏡陣列排列方式相同；目前的做法是加工使得第一復眼透鏡13和第二復眼透鏡14為彼此完全相同，即當第一復眼透鏡13中的微透鏡為正六邊形時，第二復眼透鏡14中的微透鏡也將被加工成相同大小的正六邊形。然而，準直透鏡陣列12和第一復眼透鏡13中的每個微透鏡都會將LED芯片11在第二復眼透鏡14對應的微透鏡上成像；由于當前LED芯片尺寸多為方形，例如，ImmXlmm，所以其像也將是一個方形光斑。像的大小由從準直透鏡陣列12出射的光束的發(fā)散角以及第一復眼透鏡13的焦距決定:設LED芯片發(fā)出的光束經準直透鏡陣列12準直后，準直光束的發(fā)散角為土 Θ，第一復眼透鏡13的焦距為F，則光斑像的大小L為:
[0028]L=2Ftan( Θ ) (I)
[0029]其中，發(fā)散半角Θ是通過對準直透鏡進行設計來實現控制的。
[0030]像的大小雖然可以任意控制，但由于光學擴展量守恒的原理，像的大小仍需要控制到一個最佳值。一方面，每一個像不能超出第二復眼透鏡上的微透鏡的范圍，若超出則超出部分不能有效傳播而形成光損耗；另一方面，若每一個像都小于其對應的第二復眼透鏡上的微透鏡的尺寸，則由于光學擴展量守恒(指的是光束的發(fā)光面積與發(fā)散角的乘積為常數)發(fā)散角相應的過大，整個光源的光學擴展量造成浪費，這影響整個系統的發(fā)光亮度。
[0031]由此可見，像的大小需要控制到盡量的充滿第二復眼透鏡上的微透鏡。然而，由于正方形LED芯片與第二復眼透鏡的正六邊形微透鏡的形狀不相同，如圖3所示，在最佳情況下，LED芯片在第二復眼透鏡上的像111內接于第二復眼透鏡的微透鏡143。此時，各LED芯片的像之間還存在大量的空隙沒有被填滿，形成了大量的光學擴展量的浪費，從而降低了系統的亮度。
[0032]下面結合具體實施例來對本發(fā)明進行說明。
[0033]實施例一
[0034]本實施例的光源系統的總體結構如圖4所示。該光源系統包括LED芯片陣列，該LED芯片陣列包括至少兩個LED芯片41，每個LED芯片41的發(fā)光面為正方形。該光源系統還包括位于LED芯片陣列之后的準直透鏡陣列42，準直透鏡陣列42包括至少兩個準直透鏡，每個準直透鏡至少對應一個LED芯片，用來對LED芯片陣列發(fā)出的光束進行準直；在本實施例中，一個準直透鏡由兩個透鏡前后放置共同組成一個透鏡組來實現。光源系統還包括位于準直透鏡陣列42之后的第一復眼透鏡43，第一復眼透鏡43包括緊密排列的正六邊形微透鏡陣列；還包括位于第一復眼透鏡后焦平面的第二復眼透鏡44，第二復眼透鏡包括矩形微透鏡陣列。
[0035]其中，第二復眼透鏡的微透鏡陣列的正視圖如圖5所示，其中133為第一復眼透鏡43表面微透鏡的正六邊形通光口徑在第二復眼透鏡上的投影，111 (陰影部分)為LED芯片11在第二復眼透鏡44表面所成的像。第二復眼透鏡44上的每個矩形微透鏡143與第一復眼透鏡上的每個正六邊形微透鏡133—一對應，矩形的中心與正六邊形的中心重合，矩形的兩個相鄰邊分別與LED芯片的兩個相鄰邊平行，且矩形短邊的長度等于第一復眼透鏡上每個正六邊形微透鏡邊長的1.5倍，矩形長邊的長度等于第一復眼透鏡上每個正六邊形微透鏡邊長的^倍。此時各矩形微透鏡143緊密排列，同時也滿足了矩形微透鏡143的排列方式與第一復眼透鏡的正六邊形微透鏡133的排列方式相同，實現了兩者之間的一一對應。
[0036]如前所述的，通過設計準直透鏡和第一復眼透鏡，可以控制LED芯片經過準直透鏡和第一復眼透鏡的正六邊形微透鏡后在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的大小。在本實施例中，控制LED芯片在矩形微透鏡上的像111的至少兩邊與該矩形微透鏡的邊重合，此時相比于現有技術的情況(如圖3所示)，LED的像111顯然更充分的填充了第二復眼透鏡的微透鏡的范圍，相鄰的LED的像的間距減小了，光學擴展量的浪費降低了，這樣光源系統的売度得以提聞。
[0037]設矩形微透鏡143的短邊長為dl，長邊長為d2，正六邊形微透鏡133的邊長為D。在本實施例中，由于LED芯片為正方形的，因此LED芯片的像在矩形微透鏡143的長邊方向仍不能填滿。這就帶來了另外兩種可能的情況:
[0038]1.矩形微透鏡143的長邊長度d2可以縮短，只要該長邊長度大于等于dl就可以覆蓋正方形LED芯片的像，就可以實現本發(fā)明的有益效果； [0039]2.可以使用長方形的LED芯片，只要該LED芯片的長寬比小于等于2:同時保證矩形微透鏡的長邊與LED芯片的長邊平行，矩形微透鏡的短邊與LED芯片的短邊平行，就能夠實現矩形微透鏡覆蓋LED芯片的像，實現本發(fā)明的有益效果。[0040]綜合上面兩種情況可知，LED芯片的外形可能是正方形，也可能是長寬比大于I而小于等于2:士的矩形，而矩形微透鏡的長邊長度則可以在dl至d2之間選擇，只要矩形微透鏡的長寬比大于等于LED芯片的長寬比，本發(fā)明即具有有益效果，這些情況就應當屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0041]在本實施例中，準直透鏡陣列42中的準直透鏡與芯片41——對應，在實際應用中，一個準直透鏡也可能對應于多顆LED芯片。例如一個準直透鏡對四顆呈田字型緊密排列在一起的LED芯片進行準直。此時應將該四顆LED芯片看作一個大的LED芯片，只要該芯片的外形滿足正方形或長寬比大于I而小于等于2:#的矩形這樣的條件，就應當屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0042]實施例二
[0043]在實施例一中，LED芯片的像在矩形微透鏡的長邊方向仍不能填滿，光學擴展量仍然存在浪費。在本實施例中，LED經準直透鏡后在沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向上的發(fā)散角為預定值，根據公式(I)，只要控制LED經準直透鏡后在沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向上的發(fā)散角為預定值，就可以控制LED芯片在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的長寬比；使該長寬比等于矩形微透鏡的長寬比，這樣可以使LED芯片的像完全填充矩形微透鏡，此時的亮度最高。
[0044]舉例來說，矩形微透鏡143的長寬比最大為2:VJ5此時對應于矩形微透鏡143彼此緊密相接。此時LED芯片的像需要為2:# ,則根據公式(1)，沿LED芯片兩個正交的邊的方向的發(fā)散半角的正切值之比為2:#(F對兩個方向為常數)，約等于1.155。這樣，控制一個方向的發(fā)散半角為第一預定值G1，另一個方向的發(fā)散半角為第二預定值Θ 2=arctg(l.155tg( Q1)),就可以實現使LED芯片的像完全填充矩形微透鏡的目的。當θρ θ2都是小角度時，兩者的關系可以近似表示為:
[0045]θ 2=1.155 Θ j (2)
[0046]例如第一預定值Θ I為5度，則第二預定值Θ 2為5.775度，這樣就可以實現使LED芯片的像完全填充矩形微透鏡的目的。
[0047]然而，對于正方形的LED芯片，使用普通的準直透鏡難以實現在兩個正交方向上的發(fā)散半角不同的效果。在本實施例中，實現LED經準直透鏡后在沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向上的發(fā)散角為預定值的方法是:設計準直透鏡，使其由兩個分別沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向延伸的柱面鏡前后放置組合而成。其中，該兩個柱面鏡分別在兩個方向上實現對LED發(fā)光的準直。通過分別設計這兩個柱面鏡的曲率和外形，可以實現對LED發(fā)光準直后在兩個方向上的發(fā)散角分別控制實現前述的第一預定值和第二預定值。
[0048]這兩個柱面鏡最常見的設計方法是，兩個柱面鏡的具有不同的焦距，控制其擺放位置使得兩個柱面鏡的焦平面重合，且LED芯片位于該焦平面上。此時，遠離LED芯片的柱面鏡可以是長方形的，該長方形的短邊方向之所以可以較短，就是由于在這個方向上LED芯片的像在第二復眼透鏡上充滿了矩形微透鏡而減小了光學擴展量。這樣，設置準直透鏡陣列中各準直透鏡緊密相接，在柱面鏡的短邊方向上，在有限的空間里就可以放置更多的柱面鏡，進而可以放置更多的LED芯片，從而提高光源系統的亮度。
[0049]除了使用兩個柱面鏡外，還存在另外兩種實現在兩個正交方向上LED準直光的發(fā)散角不同的方法。第一種是準直透鏡只使用一片透鏡，該透鏡的兩個通光表面為沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向延伸的柱面，最常用的做法是該兩個通光表面的柱面的焦平面重合，LED芯片位于該焦平面上。該準直透鏡與上述的兩個柱面鏡工作原理相近，此處不再贅述?？梢岳斫?，該準直透鏡可以是長方形的，這樣同樣可以在相同空間里增加LED的使用。第二種是只利用準直透鏡的一個表面來實現，這需要利用非成像光學的設計方法來實現。
[0050]本發(fā)明還提出一種LED照明裝置，包括上述的LED光源系統。
[0051]以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種LED光源系統,包括: LED芯片陣列，包括至少兩個LED芯片，所述每個LED芯片的發(fā)光面為正方形或長寬比大于I而小于等于2: 士的矩形; 位于所述LED芯片陣列之后的準直透鏡陣列，包括至少兩個準直透鏡，每個準直透鏡至少對應一個LED芯片，用來對LED芯片陣列發(fā)出的光束進行準直； 位于準直透鏡陣列之后的第一復眼透鏡，所述第一復眼透鏡包括緊密排列的正六邊形微透鏡陣列； 位于第一復眼透鏡后焦平面的第二復眼透鏡，所述第二復眼透鏡包括矩形微透鏡陣列； 所述第二復眼透鏡上的每個矩形微透鏡與第一復眼透鏡上的每個正六邊形微透鏡一一對應，矩形的中心與正六邊形的中心重合，矩形的長邊與所述LED芯片的第一邊平行，矩形的短邊與所述LED芯片的第二邊平行，第一邊長度大于等于第二邊，且矩形短邊的長度等于第一復眼透鏡上每個正六邊形微透鏡邊長的1.5倍，而矩形的長寬比大于等于所述LED芯片的長寬比； LED芯片經過所述準直透鏡和第一復眼透鏡的正六邊形微透鏡后在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的至少兩邊與該矩形微透鏡的邊重合。
2.根據權利要求1所述的LED光源系統，其特征在于:所述第二復眼透鏡上的各個矩形微透鏡緊密排列。
3.根據權利要求1所述的LED光源系統，其特征在于:LED經所述準直透鏡后在沿LED芯片兩個相互垂直的邊的方向上的發(fā)散角分別為預定值，使得LED芯片在第二復眼透鏡的矩形微透鏡上所成的像的長寬比等于矩形微透鏡的長寬比。
4.根據權利要求3所述的LED光源系統，其特征在于:所述準直透鏡的兩個通光表面為沿LED芯片兩個相互垂直的邊的方向延伸的柱面。
5.根據權利要求4所述的LED光源系統，其特征在于:所述準直透鏡的外形為長方形。
6.根據權利要求4所述的LED光源系統，其特征在于:所述準直透鏡的兩個通光表面的柱面的焦平面重合，所述LED芯片位于該焦平面上。
7.根據權利要求3所述的LED光源系統，其特征在于:所述準直透鏡由兩個分別沿LED芯片兩個相互垂直的邊方向延伸的柱面鏡前后放置組合而成。
8.根據權利要求7所述的LED光源系統，其特征在于:所述兩個柱面鏡的焦平面重合，所述LED芯片位于該焦平面上。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的LED光源系統，其特征在于:所述準直透鏡陣列中各準直透鏡緊密相接。
10.一種LED照明裝置，其特征在于:包括權利要求1至9任一項所述的LED光源系統。
【文檔編號】F21V5/04GK103968270SQ201310038991
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月31日 優(yōu)先權日:2013年1月31日
【發(fā)明者】胡飛 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司