专利名称：：Led光学元件的设计方法及投影仪的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种LED光学元件的设计方法，尤其涉及一种提高LED光学元件光通量利用效率的设计方法，并揭示一种带有相应LED光学元件的投影仪。
背景技术：
：现在的照明应用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此，绝大多数普通照明应用设计中都釆用这类LED,包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中，由于无需维护(因为LED的使用寿命比传统灯泡的要长得多)且能耗降低，所以基于LED的照明降低了总体拥有成本。在投影仪及相关领域，为了增强LED的发光率，一般都会选用光通量较大、高效率、高输出的LED。可是在具体使用中，LED所产生的光线很容易被固定该LED的电路板扩散掉。所以为了使得能够达到需要标准的光通量，就需要增加更多的LED或者选用更高效率和更大光通量的LED。这样由于是比采用更多的LED,在具体的LED排版时，会给装置内部造成不便，使得装置冗余。为了进一步有效利用LED的光通量，解决上面的问题，传统的投影装置在其应用的UHP灯泡后添加高反射率材料，并形成抛物线形状，来达到光源输出准直光线，以此达到增强LED的光通量的有效利用。但LED存在着固有的发光特点，光学扩展量4交大，这成为其最大缺陷，不利于对其光能量的有效利用。如中国专利00804656.5，名称为"照明设备"所揭示的，一种用于投影图象的照明设备包括一个具有光发射窗的外壳，该外壳中具有一个光源，一个用于引导光源沿纵轴方向发射光束的光学系统，和一个设置在相对于光轴垂直方向的图象形成表面。根据本发明，该光源为LED，该光学系统包括一个用于将LED所发射的光进行准直的准直组件。在光学系统中加入准直系统，从而提高了LED光通量的有效利用。但是对于确定的光学应用环境，到底使用多少个LED光学元件最优，此专利并未涉及。在目前公开的光学元件数量选择设计方法中，一般采用如下方式。通常为在所有系统效率估算好之后，可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。一般的计算，只使用光效率(光学和热)。电气效率只影响总功耗和灯具效能，而不影响照明的光输出量。示例照明"需要的实际流明"的计算如下所需的实际流明=目标流明/(光学效率X热效率)。另一个需要确定的是LED的工作电流。工作电流在确定LED照明的效能和使用寿命时很重要，增加工作电流，则各LED的光输出会变大，因而减少了所需的LED数量。不过，增加工作电流同时也带来多个缺点，例如功耗降低、最高环境温度降低及寿命减短等。对示例照明，使用寿命和功效是最应优先考虑的设计目标，此处以XLampXR-E数据手册所列的最小工作电流(350mA)工作，以最大限度提高LED功效并延长使用寿命。工作电流确定之后，就可以计算各LED的流明输出数了。由于LED的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了，故LED供应商文档给出的数量可以直接使用。使用LED订单代码所列的最小通量，而不:^使用数据手册给出的典型数量，大多数LED公司根据最小通量范围销售，根据此最小数来设计，就可以确保用该LED订单代码制作的所有照明都能满足目标要求。LED的数量计算如下，LED的数量=实际所需的流明数/每个LED的流明数。
发明内容为了进一步增强LED光学元件光通量的有效利用，本发明揭示了一种LED光学元件光通量的高校利用方法，主要是根据需要的有效光通量以及LED光学元件固有的物理特性来计算LED光学元件应用场合中实际需要的LED光学元件数量，并且揭示了提高LED光学元件利用率的设置措施。一种LED光学元件的设计方法，包括，确定需要的有效光通量①"确定单个LED光学元件的光通量Oi,确定单个LED光学元件的准直效率P,有效光通量除以单个LED光学元件的准直效率和单个LED光学元件的光通量的乘积得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>需要的LED光学元件的数量n,即m。在本发明较佳的一个实施例中，单个LED光学元件的光通量是由单个LED光学元件的功率P和发光效率ti的乘积确定的。优选的，发光效率ti是综合了光学和/或热学和或/电学系统后确定的。在本发明较佳的一个实施例中，LED光学元件的准直效率P是通过光学模拟软件对准直方法进行仿真之后确定的。在本发明较佳的一个实施例中，需要的有效光通量①n是根据LED光学元件的工作环境确定的。在本发明较佳的一个实施例中，确定了LED光学元件的数量后，将LED光学元件设置在一个固定装置上，并且在固定装置上设置反光装置。进一步的，在固定装置上设置有导光装置，对LED光学元件发出的光进行引导和收集。更进一步的，在本发明实施例中，对应不同的.LED光学元件应用环境，在固定装置上对LED光学元件进行不同形状的排版。优选的，所述的排版是正多边形形状，优选正方形或正六边形。本发明还揭示了一种投影仪，包括，LED光学元件及固定装置，所述的LED光学元件设置在所述的固定装置上，其特征在于，所述的LED光学元件的需求数量n是根据计算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>得出的，其中①i是由单个LED关学元件的功率P和发光效率t]的乘积确定的，所述的发光效率n是综合了光学和/或热学和或/电学系统后确定的；其中LED光学元件的准直效率(3的数值是通过光学模拟软件对准直方法进行仿真之后得出的；其中需要的有效光通量①n是根据LED光学元件的工作环境确定的。本发明由于主要根据需要的准直光源总光通量数据方便地得出需要的LED光学元件数量，这样可以最大限额的利用LED光学元件得光通量，节省了在照明或者显示装置中LED光学元件的浪费，降低了照明装置或显示装置的成本，并且节省了该装置的能耗。附图1为正方形准直光源光束排列示意图；附图2为正六边形准直光源光束排列示意图；附图3为本发明实施例的方法流程示意图。具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使得本发明的优点和益处更易于被本领域技术人员理解。在本发明中，以4殳影仪产品的LED光学元件选4奪和i殳计为例，.但本发明揭示的设计方法同样可以应用于其他照明及显示系统。本发明揭示一种充分有效利用LED光学元件的光通量，并实现在投影装置、照明等应用领域中，LED光学元件的有效利用。即在明确光源输出需求光通量后，按照本发明的设计方法，计算出LED光学元件的需求数量，并根据本发明揭示的LED光学元件设置方式，提供经济的LED选型方案，节省时间和人力，并且提高LED光学元件的利用率，满足节能降耗和环保要求。在投影仪设计中，传统的投影装置在其应用的UHP灯泡后添加高反射率材料，并形成抛物线形状，来达到光源输出准直光线，以此达到增强LED的光通量的有效利用。如作为示例的本发明LED光学元件的设计方法流程图3中所示，在本发明的设计过程中，最重要的参数之一是，需要多少个LED才能满足设计目标。其它的设计决策都是围绕LED数量展开，因为LED数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除设计目标流明，这种方法很诱人。然而，实际应用中，这种简化了的方法必须设有足够的余量，不精确且导致不够经济，否则依此设计将满足不了应用的照明要求。'为了进一步增强LED光学元件光通量的有效利用，本发明4是供了一种LED光通量的有效利用方法，主要是根据需要的有效光通量以及LED光学元件固有的物理特性来计算各类应用环境下需要的LED光学元件的数量，从而达到LED有效利用的目的，避免无谓的增加LED光学元件的数量，节省了整个设计的成本并满足节能降耗的需求。LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温，要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热和电气系统的无效率。下表是各类系统下LED光学元件的损耗效率参数。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>参见图3,本发明实施例具体如下步骤S1确定需要的有效光通量①n，即实际应用环境确定其需要的有效光通量①n;步骤S2确定单个LED光学元件的光通量①i，假设每颗LED光学元件的功率为P,发光效率为ri，则每颗LED光学元件发出的总光通量为=P*ri;步骤S3确定单个LED光学元件的准直效率P,经过准直调整后，每颗LED光学元件的准直效率为P，此处的准直效率是通过光学模拟软件对准直方法进行了仿真之后得到的数据；步骤S4有效光通量On除以单个LED光学元件准直效率P和单个LED光学元件的光通量①i的乘积得到需要的LED光学元件的数量n，即n颗LED光学元件经准直后可得到的有效光通量为由此，我们可以根据需要的有效光通量来计算需要的LED光学元件的数量，■此处ri是根据LED光学元件的规格而确定的数据，P是根据LED光学元件的工作环境所确定的数据，P是根据光学模拟软件对准直方法进行模拟后得到的数据。此处确定需要的有效光通量①n，确定单个LED光学元件的光通量①i和确定单个LED光学元件的准直效率为(3的步骤之间，并不区分先后顺序。次级光学器件是除初级光学器件(即此处的LED光学元件)外附加的光学元件，用于对LED光学元件的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射(光从某个表面反射回)，或者折射(光通过折射材料弯曲，折射材料通常为玻璃或塑料)。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。每个LED光学元件使用一个次级光学器件，各LED的光束角度就可以定制，从而得到所需的准确光图像输出。例如，可以缩小各LED光学元件的光束角度，为点照明优化照明，而不是为普通照明优化。在本发明的实施例中，在投影仪内，将多颗LED光学元件焊接在固定装置上，例如设置一块载板，从而加以固定设置，为了进一步增加LED光学元件的有效利用，在LED光学元件的固定装置上添加反光杯，在LED光学元件前添加准直透镜，这种结构对LED光学元件的光能量利用率的提高具有很大的帮助。另外，本发明还提供了另外一种实施方法，以通过次级光学器件将LED光学元件的光收集起来，准直后供使用。具体是采用了导光的方式，即在LED光学元件发光面前添加光导管，将LED光学元件发出的光收集起来，从而提高利用率。为了进一步增加LED的有效利用，本发明实施例中，设计了才艮据不同的应用环境，将所需要的准直光源的光束形状进行相应的排版，从而输出的光线形状能够最大限度的满足需求且提高利用率。例如如果需要正方形的准直光源光束可以采用图1的排列方式，其LED光学元件是采用正方形四个顶点的排列方式。如果需要正六边形或者圓形的准直光源光束，可以采取图2的排列方式，其任何三个相邻的LED光学元件是采用正三角形顶点的排列方式。根据需要，LED光学元件也可采取正五边形顶点排列的方式。为了进一步增加LED光学元件的有效利用，本发明实施例中，设计了在投影仪中增加散热系统，通过散热系统控制结温，从而提高LED光学元件的利用本发明主要根据需要的准直光源总光通量数据方便地得出需要的LED光学元件数量，这样可以最大限额的利用LED光学元件得光通量。节省在装置中LED光学元件的浪费。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。权利要求1、一种LED光学元件的设计方法，包括，确定需要的有效光通量Φn，确定单个LED光学元件的光通量Φi，确定单个LED光学元件的准直效率β，有效光通量Φn除以单个LED光学元件的准直效率β和单个LED光学元件的光通量Φi的乘积得到需要的LED光学元件的数量n，即<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>Φ</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>Φ</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo><mi>β</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、如权利要求1所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，所述的单个LED光学元件的光通量①i是由单个LED关学元件的功率P和发光效率r|的乘积确定的。3、如权利要求1所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，所述的发光效率H是综合了光学和/或热学和或/电学系统后确定的。4、如权利要求1所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，所述的LED光学元件的准直效率P的数值是通过光学模拟软件对准直方法进行仿真之后得出的。5、如权別要求1所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，所述需要的有效光通量①。是根据LED光学元件的工作环境确定的。6、如权利要求15之一所述的LED光学元件的设计方法，.其特征在于，还包括在确定了LED光学元件的数量后，将LED光学元件设置在一个固定装置上，并且在固定装置上设置反光装置。7、如权利要求15之一所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，还包括在确定了LED光学元件的数量后，将LED光学元件设置在一个固定装置上，在固定装置上设置有导光装置，对光学元件发出的光进行引导和收集。8、如权利要求15之一所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，还包括在确定了LED光学元件的数量后，将LED光学元件设置在一个固定装置上，对应不同的LED光学元件应用环境，在固定装置上对LED光学元件进行不同形状的排版。9、如权利要求8所述的LED光学元件的设计方法，其特征在于，所述的排版是正多边形形状。10、一种投影仪，包括，LED光学元件及固定装置，所述的LED光学元件设置在所述的固定装置上，其特征在于，所述的LED光学元件的需求数量n是根据计算公式①"=JOi*(3得出的，其中①i是由单个LED关学元件的功率P和发光效率n的乘积确定的，所述的发光效率n是综合了光学和/或热学和或/电学系统后确定的；其中LED光学元件的准直效率(3的数值是通过光学模拟软件对准直方法进行仿真之后得出的；其中需要的有效光通量①n是根据LED光学元件的工作环境确定的。全文摘要一种LED光学元件的设计方法，包括，确定需要的有效光通量Φ<sub>n</sub>，确定单个LED光学元件的光通量Φ<sub>i</sub>，确定单个LED光学元件的准直效率β，有效光通量Φ<sub>n</sub>除以单个LED光学元件的准直效率β和单个LED光学元件的光通量Φ<sub>i</sub>的乘积得到需要的LED光学元件的数量n，即Φ<sub>n</sub>＝∑Φ<sub>i</sub>*β；本发明还提供一种相应的投影仪装置，降低了投影仪的成本及能耗。文档编号F21V5/00GK101619830SQ20091002055公开日2010年1月6日申请日期2009年4月16日优先权日2009年4月16日发明者刘卫东,郭大勃申请人:青岛海信电器股份有限公司