CN203258494U - 发光装置及相关投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种发光装置及相关投影系统，该发光装置包括位于腔体内的发光元件阵列和透镜阵列，每个透镜的底部的中心区域设有一凹腔，该凹腔的表面为内曲面，每个透镜还包括位于背向底部的一侧的外曲面；各发光元件分别放置在一个透镜的凹腔内，其所发光依次经透镜的内曲面和外曲面折射出射并在腔体的出光面上形成从中心往旁边递减的光斑，其中70%以上的内曲面和80%以上的外曲面使入射光束往远离该透镜的中心轴的方向偏折，且偏折角度均小于30度；相邻两个光斑相互部分叠加，以在腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。本实用新型能够提供一种光损耗较少的发光装置。

Description

发光装置及相关投影系统

技术领域

本实用新型涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种发光装置及相关投影系统。 

背景技术

近年来，平板显示器的市场随着消费电子产品的发展越来越大，其中，液晶显示器（Liquid Crystal Display,LCD）占平板显示的份额接近90%。液晶显示器作为一种被动发光器件，本身不会发光，对于透射型液晶显示器，必须依靠背光光源将光线穿过显示面板，展现图形图像。冷阴极管（Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL）和发光二极管（Light Emitting Diodes，LED）是目前液晶背光的两种主要技术。LED背光主要优势在于：色彩还原性好、低能耗、超长寿命、响应速度快、材料无环境公害、更好的电学光学控制性能等等，尤其是使用了红绿蓝三基色LED后，其色彩还原性，可做到NTSC标准的105%以上，远远高于CCFL背光的79%左右。从长远来看，RGB三基色LED背光是液晶显色背光技术中最有前途的。 

LED背光根据其光学结构分为侧下式和直下式两种。侧下式的光源布置在面板侧面，通过导光板将光线分布到面板上，直下式的光源直接布置在液晶面板下方。一般来说，侧下式LED背光总体效率高，背光板厚度较薄；直下式LED背光光线均匀度高，易于实现动态区域对比度控制。 

LED直接出光的光分布为朗伯型，光能量集中在轴向小角度内，直接将这种配光的LED放置在面板下方很难实现面板上的均匀照明。目前的直下式LED背光多是基于侧面发光LED，其出射的光能量集中在水平方向±20°的范围内。在这种基于侧面发光LED的背光系统中，背光腔 的内壁涂覆以高反射率材料，LED发出的光线在背光腔内反复反射，最终在面板处形成照度色度都均匀的光分布。这种背光结构的优点是均匀度高，缺点是光线在反复的反射过程中损失了很多能量，整体效率偏低，而且单颗LED并不直接对应面板上的某一区域，很难实现动态区域对比度控制。 

为了克服基于侧面发光LED的背光系统的缺点，现有技术提出将一种具有自由曲面表面的透镜运用到背光源中。如图1A所示，图1A是现有技术中的一种具有自由曲面表面的透镜的结构示意图。在这种方法中，每颗LED外部安装一个自由曲面透镜，透镜将LED封装模块发出的光束进行重新控制，每颗LED出射的光线在面板出形成一定形状的光斑，带有自由曲面透镜的LED按一定规则排列，就可在面板上形成大范围均匀白光照明。但是，为实现背光腔的薄型化，每颗LED所对应的自由曲面透镜的宽纵比需较大，其中该宽纵比为经该透镜发出的光在背光腔的出光面上形成的光斑的直径与该出光面距离该透镜的距离的比值。背光腔越薄，则透镜的宽纵比越大，相对应地，该透镜需将LED出射的小角度的光更大程度地折射向大角度，即在透镜的界面上出射光线方向与入射光线方向的夹角（偏折角度）越大。如图1B所示，图1B为光束从空气到折射率为1.49的PMMA透镜界面的反射率与偏折角度的关系曲线。随着偏折角度的增大，光束入射于透镜界面上的入射角就需要越大，而界面反射率也就越高。在偏折角度由0度增加到17度时，反射率增加的幅度很小，几乎保持在0.04附近；在偏折角度由17度增加到30度时，反射率增加的幅度提高，由0.04增大到0.16附近；在偏折角度由30度增加到50度时，反射率急剧增大，由0.16增大到1。 

由于要实现较大的宽纵比，光束在透镜和空气的界面上产生的偏折角度大部分会大于30度，这导致透镜的出光效率很低，且其产生的杂散光会更严重地影响透镜照明效果。 

一般可通过在透镜表面镀增透膜的方式来减小界面反射，但这种方式会增加较大的成本，尤其是透镜曲面上光线入射角越大时，增透膜的设计与镀膜也就越困难，增透效果也越差，成本也就越高。 

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种光损耗较少的发光装置。 

本实用新型实施例提供一种发光装置，包括： 

腔体，该腔体包括出光面； 

发光元件阵列，包括至少两个发光元件，其中每个发光元件均包括发光面；该发光元件阵列位于所述腔体内，且各发光元件的发光面均朝向该腔体的出光面； 

透镜阵列，其中每个透镜的底部的中心区域设有第一凹腔，所述发光元件阵列中各个发光元件分别放置在该透镜阵列中的一个透镜的第一凹腔内；每个透镜背向其底部的一侧设有一个外曲面，而每个透镜的第一凹腔的表面为内曲面；各发光元件所发光从与其对应的透镜的内曲面折射入射至该透镜内，并从该透镜的外曲面折射出射至所述腔体的出光面形成预定分布，其中70%以上的内曲面和80%以上的外曲面使入射光束往远离该透镜的中心轴的方向偏折，且偏折角度均小于30度； 

每个发光元件所发光经与其对应的透镜后在所述腔体的出光面上形成的完整光斑覆盖该出光面的至少部分，且该完整光斑的照度分布为从中心往旁边递减； 

任意相邻两个发光元件之间的距离小于其中任意一个发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑的口径，使得所述发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互部分叠加，以在所述腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。 

优选地，所述内曲面包括三个分区，第一分区为所述发光元件所发光中发光角度小于α1的光束所入射的区域，第二分区为所述发光元件所发光中发光角度位于α1和α2之间的光束所入射的区域，第三分区为所述发光元件所发光中发光角度大于α2的光束所入射的区域，其中0<α1<α2<90°；其中，该内曲面的第一分区和第二分区对入射光束往大角度方向偏折，第三分区对入射光束往小角度方向偏折；并且，随着入 射光束的发光角度的增大，第一分区和第三分区对光束的偏折角度随之增大，第二分区对光束的偏折角度随之减小； 

所述外曲面中用于接收来自所述内曲面的光的部分区域中，该部分区域包括三个分区，第一分区、第二分区和第三分区分别为所述内曲面的第一分区、第二分区和第三分区所出射光入射的区域；其中，该外曲面的第一、二和三分区对入射光束均往大角度方向偏折，并且，随着入射光束的发光角度的增大，第一分区对光束的偏折角度随之增大，第二分区和第三分区对光束的偏折角度随之减小。 

优选地，所述透镜阵列中每个透镜的底部一侧还设有吸收层。 

优选地，所述吸收层涂在所述透镜的底部上未设有凹腔的其他区域上，且该吸收层的折射率小于该透镜的折射率。 

优选地，所述吸收层与所述透镜相互分离，并涂在所述透镜阵列下方除各发光元件以外的至少部分区域上。 

优选地，所述透镜的底部上距离中心轴大于预定距离的区域内，还设有环绕第一凹腔的第二凹腔，第二凹腔表面上至少80%的区域上每一点的切线使得入射于该点的光束的入射角度小于全反射角。 

优选地，第一凹腔的表面包括第一分区和第二分区，第一分区为凸曲面，第二分区为平面；其中第二分区环绕第一分区，且第二分区与所述透镜的外曲面相连接。 

优选地，从所述透镜的中心轴开始，至少80%的内曲面与外曲面对同一光线的偏折角度的比值位于1/1至1/2之间。 

优选地，所述透镜阵列中每个透镜的底部还包括一个环绕第一凹腔的环形凹腔，其中该环形凹腔朝向该透镜的外曲面的部分侧面覆盖至少部分第一区域，该第一区域为以透镜的底部边缘为外环，环的宽度为透镜底部边缘与透镜的中心轴的距离的一半的一个环形区域；该环形凹腔朝向该透镜的外曲面的部分侧面用于将入射于其上的光束反射至透镜的外曲面并折射出射。 

优选地，所述环形凹腔的顶点位于第一区域内，且该环形凹腔除朝向所述透镜的外曲面的部分侧面以外的其余侧面为过顶点的平面，并垂直于所述透镜的底部。 

优选地，所述每个透镜的底部上的环形凹腔的顶点避开该透镜的内曲面所出射的最大角度光线的传播路径。 

优选地，经所述每个透镜的环形凹腔的部分侧面反射的光束入射至该透镜的外曲面的区域，与经该透镜的内曲面折射的光束直接入射至该透镜的外曲面的区域不同；且经该环形凹腔的部分侧面反射的光束经透镜的外曲面折射出射后的发光角度大于40度。 

本实用新型实施例还提供一种投影系统，包括上述发光装置。 

与现有技术相比，本实用新型包括如下有益效果： 

通过透镜的内外两个曲面分别对发光元件所发光进行偏折，其中70%以上的内曲面和80%以上的外曲面使入射光束往远离该透镜的中心轴的方向偏折，且偏折角度均小于30度，使得能够在实现透镜的大宽纵比的同时减小光束在透镜的界面上由于界面反射而产生的光损耗；同时，发光元件阵列中各发光元件在腔体的出光面上直接形成照度分布为从中心往旁边递减的光斑，并且各光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面上形成均匀照度；相比背景技术中的基于侧面发光LED的背光系统中LED发出的光线需在背光腔内反复反射后才能在面板上形成运用的光分布，本实用新型中由于各LED发出的光直接出射至腔体的出光面并在上面相互叠加形成均匀的光分布，避免了在腔体内多次反射造成的光损失，提高了整体效率。 

附图说明

图1A是现有技术中的一种具有自由曲面表面的透镜的结构示意图； 

图1B为光束从空气到折射率为1.49的PMMA透镜界面的反射率与偏折角度的关系曲线； 

图2A是本实用新型的发光装置的一个实施例的结构示意图； 

图2B是图2A所示的发光装置的透镜阵列中透镜的结构示意图； 

图2C是图2B所示透镜沿该透镜的中心轴M的任意一个截面上的光路示意图； 

图2D为发光元件所发光经透镜后在腔体的出光面上形成的一种照度分布的示意图； 

图3是实现均匀照度的透镜原理设计图； 

图4A为LED所发光中角度与光强归一化值的曲线关系图； 

图4B为图2D所示的光斑O的照度分布所对应的发光角度与光强归一化值的曲线关系图； 

图4C为不同的角分布的能量累积积分归一化值与发光角度的关系曲线图； 

图4D为LED所发光在每个发光角度上的光线经透镜后的偏折角度与该发光角度的关系曲线图； 

图5A是图2B所示透镜沿该透镜的中心轴M的任意一个截面上一条光线L的光路示意图； 

图5B是透镜的内曲面和外曲面所承担的偏折量的一种关系图； 

图5C是透镜的内曲面和外曲面所承担的偏折量的另一种关系图； 

图5D是透镜的内曲面和外曲面所承担的偏折量的另一种关系图； 

图6A是出光面11上各光斑O相互叠加的示意图； 

图6B是两个相邻的光斑叠加后的光分布； 

图6C是本实用新型的发光装置中各发光元件在出光面所在平面上形成的光斑的另一种示意图； 

图7为本实用新型的发光装置中透镜的另一种结构示意图； 

图8为本实用新型的发光装置中透镜的另一种结构示意图。 

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的“均匀照度”指的是最低照度和平均照度的比值大于50%，“发光角度”指的是光线与其所来自的发光元件的发光光轴的夹角。 

下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例进行详细说明。 

实施例一 

请参阅图2A，图2A是本实用新型的发光装置的一个实施例的结构示意图。该实施例的发光装置100包括具有出光面11的腔体1、发光元件阵列2和透镜阵列3。 

发光元件阵列2包括至少两个发光元件21，其中每个发光元件均包括发光面201，且各发光元件21的发光面201均朝向腔体1的出光面11。每个发光元件21的中心轴M均垂直于腔体1的出光面11，且方向指向该出光面11。在本实施例中，腔体1呈梯状，该梯状的相互平行的两个面中面积较大的一个面为出光面11。发光元件阵列2设于与出光面11相对的另一个面13上。发光元件阵列2中各发光元件21为LED（Light Emitting Diode，发光二极管）。在实际运用中，各发光元件也可以为LD（Laser Diode，激光二极管）或者OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）等其他发光元件。 

如图2B和图2C所示，图2B是图2A所示的发光装置的透镜阵列中透镜的结构示意图，图2C是图2B所示透镜沿该透镜的中心轴M的任意一个截面上的光路示意图。透镜31的底部311的中心区域上设有第一凹腔312，该第一凹腔312的表面称为透镜31的内曲面313。透镜31背向其底部311的一侧为一个凸曲面，称为外曲面314。发光元件阵列2中各个发光元件21分别放置在透镜阵列3中的一个透镜31的第一凹腔312内。且每个透镜31的中心轴和与其对应的发光元件21的中心轴M相重合。各发光元件21所发光从与其对应的透镜31的内曲面313折射入射至透镜31内，并从该透镜31的外曲面314折射出射至腔体1的出光面11上形成预定分布。如图2D所示，图2D为发光元件所发光经透镜后在腔体的出光面上形成的一种照度分布的示意图。发光元件21所发光经透镜31后在腔体1的出光面11上形成的光斑O的照度分布为从中心向旁边递减。 

在本实施例中，透镜31根据中心轴M旋转对称。当然，在实际运用中，透镜31也可以不是根据中心轴M旋转对称，那么该透镜31出射的光线在出光面11上形成的光斑在不同的方向上光分布不同，而透镜31沿其中心轴M的任意一个截面上的内曲线和外曲线的斜率根据具体需要的光分布来具体设计。 

以下通过对透镜31中内曲面313和外曲面314的设计方法的描述来对该两个曲面所采取的形状进行说明。 

首先，以下对透镜的表面的设计方法进行说明： 

请参阅图3，图3是实现均匀照度的透镜原理设计图。图中所示为过透镜中心轴的截面图。对于旋转对称系统，通过设计曲线A，使光源C发出的光线在曲线A的介质-空气界面上发生折射而重新分布，从而在屏幕上形成预定的照度。在此系统中，设计目标是在屏幕上形成半径为r的给定照度分布的圆形光斑。 

先将屏幕划分为若干小段，根据预定的照度分布，可以计算出每个小段dr需要的光能量，假设光源C发出的中心光线在A0处不发生偏折而出射至B点，根据屏幕上第一小段dr₁内的光能量，再根据光源C的发光光分布，可以计算出光源C发出指向A1点的光线（与中心光线的夹角为dφ）应该被折射向第一小段dr₁的边缘，光源C发出指向A2点的光线应该被折射向第二小段dr₂的边缘。如此，可以将每个小段的边缘点与光源的发光方向建立一一对应的关系。再根据折射定律可以进而计算出曲线上每点的法线方向。然后从起始点A0开始利用计算出的法线方向将整条曲线A积分出来。 

以下对根据上面所描述的透镜设计方法具体对本实用新型中的透镜进行设计的具体过程进行描述。 

首先确认该透镜的宽纵比，本实施例中，透镜的宽纵比为10（在实际运用中，该宽纵比为较大的数值，一般为7）。宽纵比确认后，由于照度分布已确定为从中心往旁边递减，因此能够进一步确认每个发光元件所发光经透镜31后在出光面11上形成的一个具体照度分布（本实施中所确定的照度分布如图2D所示）。当然，这个具体照度分布并不是唯一的。 

如图4A、图4B和图4C所示，图4A为LED所发光中发光角度与光强归一化值的曲线关系图，图4B为图2D所示的光斑O的照度分布所对应的发光角度与光强归一化值的曲线关系图，图4C为不同的角分布的能量累积积分的归一化值与发光角度的关系曲线图。 

图4A中，横坐标为LED所发光的发光角度，纵坐标为LED所发光的光强归一化值，曲线L1为LED所发光的光强分布。LED所发光为朗伯分布，因此曲线L1为朗伯分布的分布曲线。图4B中，横坐标为LED所发光经透镜折射后的出射光的发光角度，纵坐标为光强归一化值。 曲线L2为LED所发光经透镜折射后的出射光的光强分布。为简化设计计算，认为LED所发光经透镜折射前后的总能量是不变的。因此，根据曲线L1和曲线L2进行累积积分计算出来的LED所发光的总能量为一致的。 

图4C中，横坐标为LED所发光能量的归一化值，其中横坐标上的1对应的是LED所发光的总能量，纵坐标为光线的发光角度。其中曲线L3对应的是图4A中所示的呈朗伯分布的LED所发光的能量累积积分，曲线L4对应的是图4B中经透镜31折射后的光束的能量累积积分。因此，相同的横坐标值（也即能量累积积分的归一化值）所对应的曲线L3和曲线L4上的纵坐标值分别为一束光经透镜31折射前的发光角度和经透镜31折射后的发光角度。将曲线L4和曲线L3的每一个纵坐标相减，可得到LED所发光上每个发光角度上的光束经透镜31后的偏折角度。如图4D所示，图4D为LED所发光在每个发光角度上的光线经透镜31后的偏折角度与其发光角度的关系曲线图。LED所发光中，发光角度在[0，82）度之间的光束均往大角度方向（远离光轴M的方向）偏折，发光]角度为82度的光束不发生偏折，发光角度在（82，90]度之间的光束均往小角度方向（偏向光轴M的方向）偏折。而其中发光角度在[0，25）度和（82，90]度之间的光束的偏折角度随着发光角度的增大而增大，发光角度在[25，82）度之间的光束的偏折角度随着发光角度的增大而减小，其中最大的偏折角度达到43度。 

在实际中，当改变透镜的宽纵比以及发光元件所发光经透镜后在出光面上形成的具体照度分布时，透镜对光线的总偏折量的趋势并未改变，仍是在发光角度所发光中发光角度在（0，α1）之间的光束的偏折角度随着发光角度的增大而增大，发光角度在（α1，α2）之间的光束的偏折角度随着发光角度的增大而减小，发光角度在（α2，90°]之间的光束的偏折角度随着发光角度的增大而增大，其中0<α1<α1<90°，而α1和α2的具体数值随着具体照度分布的不同而变化。 

由图1B可知，当偏折角度越大时，光束在折射界面上产生的界面反射率越大，进而导致的光损耗越大。因此，在本实用新型中，将光束所要完成的偏折量通过该光束在透镜上发生两次偏折来完成，这样，可 以大大降低每次偏折时所产生的界面反射率，而该两次所产生的光损耗的总和相比只采用一次偏折而产生的光损耗小。 

如图5A所示，图5A是图2B所示透镜沿该透镜的中心轴M的任意一个截面上一条光线L的光路示意图。光线L从LED21出射时的发光角度为φ1，入射至透镜21的内曲面313的P1点处并往大角度偏折θ1，然后入射至外曲面314的P2点处并往大角度偏折θ2，此时的发光角度为φ2。在这里，θ1和θ2分别为透镜31的内曲面313和外曲面314分别所承担的偏折量，该两者和为该光线L经透镜31后的总偏折量。 

如图5B所示，图5B是透镜的内曲面和外曲面所承担的偏折量的一种关系图。透镜31的内曲面（图中data2所示曲线）和外曲面（图中data3所示曲线）对同一光线的偏折量一样，均为总偏折量（图中data1所示曲线）的一半。这样，可以使得透镜上的每个曲面对光束的偏折量达到最小，进而使得光损耗最小。 

当然，在实际运用中，透镜的内曲面和外曲面对同一光线的偏折量的比例也可以不一样。如图5C所示，图5C是透镜的内曲面和外曲面所承担的偏折量的另一种关系图。本实施例中，透镜31的内曲面（图中data2所示曲线）和外曲面（图中data3所示曲线）对同一光线的偏折量的比例为1：1.5。在实际运用中，透镜的内外曲面对不同光线的偏折量的比例也可以不一样。 

在透镜的宽纵比较大的场合中，若透镜的内曲面对光线的偏折量较大，会导致该内曲面各点的斜率过大，进而导致透镜31的第一凹腔较小。这样，发光元件21相对透镜31的第一凹腔不够小，会导致发光元件21所发光经透镜31后的均匀度不够。因此，在透镜的宽纵比较大的场合中，透镜的外曲面对同一光线的偏折量相比内曲面对同一光线的偏折量优选偏大。优选地，至少80%的内曲面与外曲面对同一光线的偏折角度的比值位于1/1至1/2之间。当然，透镜的外曲面对光线的偏折量也不宜过大，因此更优地，至少80%的内曲面与外曲面对同一光线的偏折角度的比值位于1/1至1/1.5之间。 

因此，在本实施例中，在（0，α1）之间，随着LED所发光的发光角度的增大，每个角度上的光线的总偏折量以及透镜的内外曲面分别承 担的偏折量均呈递增的趋势；在（α1，α2）之间，随着LED所发光的发光角度的增大，每个角度上的光线的总偏折量以及透镜的内外曲面分别承担的偏折量均呈递减的趋势。在（α2，90°]之间，随着LED所发光的发光角度的增大，每个角度上的光线的总偏折量以及透镜的内外曲面分别承担的偏折量均呈递增的趋势。 

因此，透镜31的内曲面包括三个分区，第一分区为发光元件21所发光中发光角度小于α1的光束所入射的区域，第二分区为发光元件21所发光中发光角度位于α1和α2之间的光束所入射的区域，第三分区为发光元件21所发光中发光角度大于α2的光束所入射的区域。其中，该内曲面的第一分区和第二分区对入射光束往大角度方向偏折，第三分区对入射光束往小角度方向偏折。并且，随着入射光束的发光角度的增大，第一分区和第三分区对光束的偏折角度随之增大，第二分区对光束的偏折角度随之减小。 

由于透镜31的内曲面所出射的光线中的最大角度小于90度，因此透镜31的外曲面只有部分区域有入射光束。在透镜31的外曲面中用于接收来自内曲面的光的部分区域中，该部分区域包括三个分区，第一分区为内曲面的第一分区所出射光入射的区域，第二分区为内曲面的第二分区所出射光入射的区域；第三分区为内曲面的第三分区所出射光入射的区域。其中，该外曲面的第一分区和第二分区对入射光束均往大角度方向偏折，第三分区对入射光束往小角度方向偏折。并且，随着入射光束的发光角度的增大，第一分区和第三分区对光束的偏折角度随之增大，第二分区的对光束的偏折角度随之减小。 

然而，在实际运用中，透镜31的外曲面的第三分区对入射光束往小角度方向偏折时，会出现有部分曲线往透镜31内弯折。这样的透镜表面不能够用一片模具来加工。因此，可以使得透镜31的内曲面的第三分区对入射光束往小角度方向的偏折角度大于该入射光束要完成的总偏折量，然后透镜31的外曲面的第三区域用于对其入射光束往大角度方向偏折，使得最终入射于透镜31的内曲面的第三分区上的光束经透镜31后的总偏折量为预定偏折量。 

具体如图5D所示，图5D是透镜的内曲面和外曲面所承担的偏折量 的另一种关系图。在LED所发光的发光角度从0度到40度之间，透镜31的内曲面（图中data2所示曲线）和外曲面（图中data3所示曲线）各自承担总偏折量（图中data1所示曲线）的一半，且均往大角度方向偏折；从40度到70度之间，透镜31的外曲面所承担的偏折量比内曲面所承担的偏折量大，且均往大角度偏折，其中内曲面所承担的偏折量逐渐减少为0。从70度到90度之间，透镜31的外曲面所承担的偏折量逐渐减小，但仍大于0；而内曲面所承担的偏折量逐渐增大，且均小于0；该两个曲面对光束的偏折量的和使得光束总体上往小角度偏折，且偏折量逐渐增大。 

在实际运用中，发光元件所发光经透镜后的总偏折角度一般大部分小于60度，其中大部分小于50度，因此只要保持70%以上的内曲面和80%以上的外曲面对入射光线的偏折量小于30度，即可保证每个曲面上发生的界面反射率较小。 

在实际运用中，透镜的内外两个曲面上对发光元件所发光所产生的偏折量的变化趋势也可以不和发光元件所发光经透镜31后的总偏折量的变化趋势一样，只要保持80%以上的内曲面和80%以上的外曲面对入射光线的偏折量小于30度且该两个曲面对同一光线的偏折量之和等于总偏折量即可。 

发光元件阵列2中各发光元件21所发光经与其对应的透镜31后在出光面11上形成的完整光斑O覆盖该出光面11的至少部分，而任意相邻两个发光元件21之间的距离小于其中任意一个发光元件在出光面11上形成的光斑O的口径，使得各发光元件21形成的光斑O相互至少部分叠加，以使得出光面11上形成均匀的照度。 

具体举例来说，如图6A所示，图6A是出光面11上各光斑O相互叠加的示意图。发光元件阵列2为2*4的长方形阵列，其中每个发光元件在出光面11上形成的光斑O呈圆形。任意相邻两个发光元件21之间的排布距离等于其中任意一个发光元件在出光面11上形成的光斑O的半径。发光元件阵列2中各发光元件21在出光面11上形成的光斑O相互部分叠加。 

如图6B所示，图6B是两个相邻的光斑叠加后的光分布。由于任意 相邻的两个光斑的位置均对称，且光分布也对称，在光斑叠加的部分，第一个光斑O1中光分布较强的部分与第二个光斑O2中光分布较弱的部分叠加，第二个光斑O2的光分布较弱的部分与第一个光斑O1的光分布较强的部分叠加，进而使得光斑O1和光斑O2叠加后得到的光斑O12上照度均匀。同理，其他任意只有两个光斑叠加的部分和光斑O1与光斑O2的叠加一样，以使得叠加部分得到均匀照度；而在至少有三个光斑相互叠加的区域上，由于各光斑中至少两个光斑该区域的光均为光分布最弱的一部分，经过三个光斑或者四个光斑叠加后的光斑光分布与其他只有两个光斑叠加的区域的光分布差别并不大；因此，总体上出光面11大部分区域上能够形成均匀照度。而在实际运用中，出光面11上未有光斑O覆盖的区域由于杂散光的存在，使得该部分区域上也会有光分布。 

通过透镜的内外两个曲面分别对发光元件所发光进行偏折，其中70%以上的内曲面和80%以上的外曲面使入射光束往远离该透镜的中心轴的方向偏折，且偏折角度均小于30度，使得能够在实现透镜的大宽纵比的同时减小光束在透镜的界面上由于界面反射而产生的光损耗；同时，发光元件阵列中各发光元件在腔体的出光面上直接形成照度分布为从中心往旁边递减的光斑，并且各光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面上形成均匀照度；相比背景技术中的基于侧面发光LED的背光系统中LED发出的光线需在背光腔内反复反射后才能在面板上形成运用的光分布，本实用新型中由于各LED发出的光直接出射至腔体的出光面并在上面相互叠加形成均匀的光分布，避免了在腔体内多次反射造成的光损失，提高了整体效率。 

在本实施例中，环绕出光面11的四个侧面还可以设有反射面。相对应地，发光元件阵列2中位于最靠外一圈中的发光元件，也即分别距离该四个侧面最近的四行发光元件中，每一行发光元件在出光面11所在平面上形成的各个光斑O′的中心和与该行最近的侧面的距离为该光斑O′的半径的1/2。如图6C所示，图6C是本实用新型的发光装置中各发光元件在出光面所在平面上形成的光斑的另一种示意图。为方便描述，以下采用其中一个侧面12和与其最近的一行发光元件中的其中一 个发光元件21形成的光斑O"来进行说明。 

假设腔体1的侧面12为透光的，由于发光元件21在出光面11所在平面上形成的光斑O"的中心与侧面12的距离为光斑O"的半径的1/2，那么侧面12将光斑O"划分成了位于腔体1外的光斑101和位于腔体内的光斑102两部分。现在在侧面12上设有反射面，则原本出射于腔体1外形成光斑101的光线被该反射面12反射并在出光面11上形成光斑101′，该光斑101′与光斑101互为镜像，且与光斑102重叠，使得该发光元件21所发光在出光面11上形成的光斑O"的照度更加均匀。发光元件阵列2中位于最靠外一圈中的各发光元件（由于本实施例中发光元件阵列2为2*4的，因此最靠外一圈的发光元件为全部发光元件）在出光面11上形成的光斑O'均和光斑O"一样，进而使得发光元件阵列2所发光在出光面11上形成更加均匀的照度。 

为实现更大宽纵比，透镜31的外曲面优选还包括一凹曲面部分32。如图7所示，图7为本实用新型的发光装置中透镜的另一种结构示意图。该凹曲面部分32包含该外曲面和该透镜的中心轴的交点P3。而外曲面的其他部分为凸曲面部分33，该凸曲面部分33和凹曲面部分32相连续，并各自关于该中心轴M对称。 

如图8所示，图8为本实用新型的发光装置中透镜的另一种结构示意图。发光元件21所发光在入射透镜31的内曲面和外曲面时，还是会发生界面反射。其中该界面反射光绝大多部分均会被反射至透镜31的底部311上，其中大部分入射至底部311上以底部311的边缘为外环，且环的宽度为底部311边缘与中心轴M的距离的一半的一个环形区域上。为使下文描述清楚简洁，称该环形区域为第一区域。 

因此，透镜阵列3中每个透镜31的底部311优选还包括一个环绕第一凹腔312的环形凹腔33，其中该环形凹腔33朝向该透镜的外曲面的部分侧面33a覆盖第一区域的至少部分，以将入射于该第一区域上的界面反射光反射至透镜的外曲面并折射出射至腔体的出光面上。这样，可以进一步减少界面反射带来的光损耗。或者，还可以将入射于第一区域上的界面反射光反射至透镜的外曲面并折射出射至腔体上发光元件阵列所在的平面上，然后再被散射反射至腔体的出光面上，以避免这部 分光在出光面11上形成亮环或亮点。环形凹腔33的侧面33a可以为全内反射面，也可在其上有一层反射膜对光进行反射，比如在其上镀一层铝膜。侧面33a优选为全内反射面，以降低成本，并避免增加镀反射膜的工序。 

由于绝大部分界面反射光会入射到透镜底部的第一区域上，其中不同的曲面设计会导致大部分界面反射光在该第一区域内的具体位置不同；优选地，环形凹腔的顶点位于该第一区域内，且该环形凹腔33除侧面33a以外的其余侧面为过顶点33b的平面，并垂直于透镜31的底部311。这样，可以减少对不必要曲面的设计以及加工开模。 

优选地，经环形凹腔33的侧面33a反射出射的光束入射至透镜的外曲面上除第一、二和三分区上的其他区域上，这样，通过对透镜31的外曲面上用于接收该部分光的区域进行设计，使得该部分光束经透镜的外曲面折射出射后的发光角度大于40度，进而避免在透镜正上方附近形成亮点或亮环。 

优选地，环形凹腔33的顶点33b避开透镜31的内曲面所出射的最大角度光线的传播路径，以避免环形凹腔33阻挡透镜31的内曲面所出射的光。 

或者，在本实施例中，透镜阵列中每个透镜底部未设有环形凹腔，而是在每个透镜的下方设有一吸收层，用于吸收从透镜透出的界面反射光，以避免该部分反射光被反射回透镜上方的出光面区域上，形成亮区而影响出光面的均匀度。优选地，该吸收层的反射率小于0.7，以减少经该吸收层反射的光入射至腔体的出光面上并影响该出光面的均匀度。 

在实际运用中，可以直接在每个透镜的底部上除第一凹腔的其他区域上涂有吸收层。优选地，该吸收层的折射率小于透镜的折射率，以避免界面反射光在入射透镜的底部上的吸收层上时发生全反射。 

或者，该吸收层也可以不设在透镜的底部的表面上，而是和透镜相分离，并涂在透镜阵列下方除各发光元件以外的至少部分区域上。例如，吸收层可以涂在发光元件阵列所在电路板的表面上。这样，可以避免吸收层吸收光产生的热量传递到透镜上导致透镜温度过高进而老化。而且吸收层的热量可以通过电路板以及其后续散热装置来散发热量，更有利 于散热。 

进一步地，还可以在透镜底部上距离中心轴大于预定距离的区域内设有环绕第一凹腔的第二凹腔，该预定距离为透镜底部的第一区域的内环与中心轴的距离。其中该第二凹腔表面上至少80%的区域上每一点的切线使得入射于该点的界面反射光的入射角度小于全反射角，以使得有更多的界面反射光透射该第二凹腔表面并入射至吸收层上，减少在透镜底部上发生全反射的界面反射光。具体地，本实施例中，第二凹腔的表面包括两个分区，第一分区为一凸曲面，第二分区为一平面，其中第二分区环绕第一分区，且第二分区与透镜的外曲面相连接，且相交处位于透镜底部之上方。由于入射于第一分区上的界面反射光一般为汇聚的光锥，采用凸曲面能够让其更多地从透镜透射出射至吸收层上。而入射于第二分区上的界面反射光为扩散光束，采用平面或凹曲面比凸曲面能够让更多的界面反射光透射出射至吸收层上；由于平面在设计和加工上更加简便，因此第二分区采用平面。当然，在实际运用中，第一分区和第二分区也可以均为平面或者均为曲面。 

或者，在本实施例中，也可以在透镜的底部的第一区域上设有图8所示的环形凹腔，并且在透镜的下方设有吸收层，以吸收未被该环形凹腔所反射的界面反射光。 

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 

本实用新型实施例还提供一种投影系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）投影技术、数码光路处理器（DLP，Digital Light Processor）投影技术。此外，上述发光装置也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明。 

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 

Claims (13)

1.一种发光装置，其特征在于，包括： 

腔体，该腔体包括出光面； 

发光元件阵列，包括至少两个发光元件，其中每个发光元件均包括发光面；该发光元件阵列位于所述腔体内，且各发光元件的发光面均朝向该腔体的出光面； 

透镜阵列，其中每个透镜的底部的中心区域设有第一凹腔，所述发光元件阵列中各个发光元件分别放置在该透镜阵列中的一个透镜的第一凹腔内；每个透镜背向其底部的一侧设有一个外曲面，而每个透镜的第一凹腔的表面为内曲面；各发光元件所发光从与其对应的透镜的内曲面折射入射至该透镜内，并从该透镜的外曲面折射出射至所述腔体的出光面形成预定分布，其中70%以上的内曲面和80%以上的外曲面使入射光束往远离该透镜的中心轴的方向偏折，且偏折角度均小于30度； 

每个发光元件所发光经与其对应的透镜后在所述腔体的出光面上形成的完整光斑覆盖该出光面的至少部分，且该完整光斑的照度分布为从中心往旁边递减； 

任意相邻两个发光元件之间的距离小于其中任意一个发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑的口径，使得所述发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互部分叠加，以在所述腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。 

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述内曲面包括三个分区，第一分区为所述发光元件所发光中发光角度小于α1的光束所入射的区域，第二分区为所述发光元件所发光中发光角度位于α1和α2之间的光束所入射的区域，第三分区为所述发光元件所发光中发光角度大于α2的光束所入射的区域，其中0<α1<α2<90°；其中，该内曲面的第一分区和第二分区对入射光束往大角度方向偏折，第三分区对入射光束往小角度方向偏折；并且，随着入射光束的发光角度的增大，第一分区和第三分区对光束的偏折角度随之增大，第二分区对光束的偏 折角度随之减小； 

所述外曲面中用于接收来自所述内曲面的光的部分区域中，该部分区域包括三个分区，第一分区、第二分区和第三分区分别为所述内曲面的第一分区、第二分区和第三分区所出射光入射的区域；其中，该外曲面的第一、二和三分区对入射光束均往大角度方向偏折，并且，随着入射光束的发光角度的增大，第一分区对光束的偏折角度随之增大，第二分区和第三分区对光束的偏折角度随之减小。 

3.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述透镜阵列中每个透镜的底部一侧还设有吸收层。 

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，所述吸收层涂在所述透镜的底部上未设有凹腔的其他区域上，且该吸收层的折射率小于该透镜的折射率。 

5.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，所述吸收层与所述透镜相互分离，并涂在所述透镜阵列下方除各发光元件以外的至少部分区域上。 

6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述透镜的底部上距离中心轴大于预定距离的区域内，还设有环绕第一凹腔的第二凹腔， 

第二凹腔表面上至少80%的区域上每一点的切线使得入射于该点的光束的入射角度小于全反射角。 

7.根据权利要求6所述的发光装置，其特征在于，第一凹腔的表面包括第一分区和第二分区，第一分区为凸曲面，第二分区为平面；其中第二分区环绕第一分区，且第二分区与所述透镜的外曲面相连接。 

8.根据权利要求1至3任一项所述的发光装置，其特征在于，从所述透镜的中心轴开始，至少80%的内曲面与外曲面对同一光线的偏折角度的比值位于1/1至1/2之间。 

9.根据权利要求1至3任一项所述的发光装置，其特征在于，所述透镜阵列中每个透镜的底部还包括一个环绕第一凹腔的环形凹腔，其中该环形凹腔朝向该透镜的外曲面的部分侧面覆盖至少部分第一区域， 该第一区域为以透镜的底部边缘为外环，环的宽度为透镜底部边缘与透镜的中心轴的距离的一半的一个环形区域； 

该环形凹腔朝向该透镜的外曲面的部分侧面用于将入射于其上的光束反射至透镜的外曲面并折射出射。 

10.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，所述环形凹腔的顶点位于第一区域内，且该环形凹腔除朝向所述透镜的外曲面的部分侧面以外的其余侧面为过顶点的平面，并垂直于所述透镜的底部。 

11.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，所述每个透镜的底部上的环形凹腔的顶点避开该透镜的内曲面所出射的最大角度光线的传播路径。 

12.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，经所述每个透镜的环形凹腔的部分侧面反射的光束入射至该透镜的外曲面的区域，与经该透镜的内曲面折射的光束直接入射至该透镜的外曲面的区域不同； 

且经该环形凹腔的部分侧面反射的光束经透镜的外曲面折射出射后的发光角度大于40度。 

13.一种投影系统，包括如权利要求1至12任一项所述的发光装置。 

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