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基于发光二极管照明的dlp微型投影显示技术 1 dlp投影显示系统 数字光源处理（lp）是一种基于ti（texasis）开发的反射显量芯片畸变md（数字微芯片mir值）的全数字投影技术。 在DLP投影系统中,通常要使用超高压汞灯作为照明光源。从该光源出射的白光通过高速旋转的RGB色轮实现时间分色,所产生的红、绿、蓝三色光会按一定顺序交替地照射到DMD表面上,为DMD提供照明。现在普遍使用的超高压汞灯光谱为连续谱,当光线通过滤色轮时,会有较多的能量损失。 近年来,随着LED(Light Emitting Diode)技术的发展,LED已被应用到了投影显示中。目前,以LED为照明光源的DLP微型投影机由于其体积小、重量轻、寿命长的优点得到了各大厂商的青睐,并研制出了掌上型的LED光源袖珍投影机。这些投影机由于受LED光源亮度等因素的影响,普遍存在亮度较低的问题,一般输出的光通量只有200~400 lm。 DLP投影显示系统的照明系统一般都采用光学积分棒来实现光束整形和照明均匀化。在照明系统工作时需要将作为光源的灯发出的光线会聚到光学积分棒中去。 由于单个LED单元的功率限制和LED自身的发光特点,如何将多个LED的光能高效地汇聚到光棒一直是一个技术难点。为了实现这一目标,并提高显示亮度和光能利用效率,本文设计了可以将发出的光能会聚到光学积分棒上的多个LED彩色光源。通过控制该光源RGB三色LED的工作时序可以替代DLP投影机中的色轮,可简化系统的结构。 2 光明早的设计 2.1 led聚光器 LED的发光特性可以近似为朗伯体,LED的发光角度可以近似为±90°。如果采用类似于透镜的普通光学折射元件对LED发出的光线进行会聚,则不能对LED发出的大角度光束起到会聚作用。如果采用曲面反射镜的方法对LED发出的光线进行会聚,则从LED发出的小角度光线不能得到很好地会聚。因此无论是折射元件还是投射元件都不能很好地对从LED发出的光线进行会聚。为此本文采用了如图1所示的LED聚光器,实现了光能采集的功能。聚光器的外表面为椭球面,与LED正对的曲面为球面,出射面为平面。该聚光系统结合了折射元件和反射元件的优点,对从LED出射的大角度光线来说,利用聚光器的椭球面反射将其会聚到椭球面的焦点,对从LED发出的小角度光线来说,利用LED正对的曲面折射将其会聚到椭球面的焦点。这样的一个聚光器可以高效地把单个LED发出的光线会聚到一点。 对多个LED来说,可以把多个椭球反射体的结构按图2所示的方式合并在一起,并使各个椭球体有公共的焦点,在另外三个焦点上分别安装上红、绿、蓝三色LED光源,那么由这三个光源发出的三色光线全部汇聚到重合的焦点上,这样就能够实现混光的效果。 在实际设计中,先设计出一个椭球反射体,并对其结构进行优化仿真,在得到合适的结果之后,再把三个单体拼接在一起,最终对其进行仿真优化。 2.2 聚光器的设计及结果 根据这种聚光器的的工作特点,本文设计了一个LED聚光器。所选的LED近似为面光源,发光面尺寸为0.5mm×0.5mm,光谱范围为400~700nm,发光特性为余弦辐射体。 聚光器是由PMMA材料制成的。经过优化设计得到的聚光器的参数如下:椭球长半轴长为5mm,短半轴长为3mm,两焦点之间的距离为4mm;LED位于椭球的一个焦点上;用于聚光的曲面是一段圆弧,其曲率半径为3mm,该圆弧与椭圆长轴的交点距光源圆心的距离为1mm;与聚光曲面相连的是一段圆锥曲面,其半锥顶角的正切值为0.075,其锥顶的位置位于椭球体长轴上,并距离出射面为15.8mm;出射面经过椭球体的另一个焦点,并与椭球体长轴垂直;外表反射面镀反射膜。 本文用照明设计软件Light Tools5.3.0对该聚光器进行了建模,并进行了仿真计算,接收面设置在出光面上,追迹光线为105条(图3)。在出光面上,主要的能量集中在Φ2mm的圆斑内,计算结果如图4所示。计算结果表明:该结构的出光效率可以达到94.4%;考虑到光棒的工作角度为±45° ,在45°内可以接受的光能利用率为86%。 2.3 出射光效率仿真结果 混光光源的整体设计方法是这样的:把三个经过优化的椭球混色装置按如图2所示的方法放置,三者有共同的出射焦点,并且使各个椭球体长轴两两夹角相等。用一个过公共焦点并与三个椭球体的长轴成所成的角度相同的平面与其相截,剩下的空间几何形体就是如图2所示的混光装置。 用照明设计软件LightTools5.3.0进行仿真计算,三个光源的辐射波长分别550nm,430nm和670nm。接收面设置在出光面上,追迹光线为105条。当椭球体长轴与出射面所成的角度β分别为40°,50°,60°和70°时,计算出了在出射光线角度为±90°和±45°时的各自的出光效率,其结果如表1所示。 经优化设计表