基于LED的均匀照明投影光路设计

By | 2020年7月24日

  LED(1ight emitting diode)发光二极管,是21世纪具备竞争力的新型固体光源,它具备效率高、光色纯、能耗低、寿命长,牢靠耐用、无净化、管制灵敏等优点。跟着LED技巧一直欠缺,LED的光通量及光效将一直进步。LED技巧势必开拓照明技巧反动的新时代。


  小型化以及短命命是古代投影技巧的倒退标的目的。最近几年来,跟着高亮度LED器件的呈现,为古代投影显示零碎的短命命以及小型化提供了新的可能。LED正在投影显示零碎的使用中有着传统光源无奈代替的优点。然而因为LED的外形、发光特点与现有投影灯光源的形态、发光特点没有同,使患上LED无奈间接使用于现有的照明零碎,并且无奈餍足投影零碎小型化的要求。因而正在行使LED作为投影光源的进程中,需求采纳新的配光办法将光强呈余弦散布的LED从新配光,终极完成平均散布的矩形光斑。现在,非成像光学的实践曾经相称齐备,它的不少原理曾经浸透到生存中的各个畛域。而把它惹人到投影零碎的文献也有不少,本设计采纳方棒匀光的办法,共同的准直构造完成了平均照明的投影光路,它所用的光学器件简略,构造松散,比复眼匀光零碎的能量行使率高,平均性更好。因而,方棒照明零碎使用于LED投影机的倒退前景非常广阔。


  1 设计原理


  1.1 LED的光学特点


  LED可分为面发光型以及边发光型,面发光型的出光面与PN构造立体平行,边发光型是从PN结的一个端面(与结立体垂直)出光。面发光型LED的光功率较边发光型年夜,但出光面年夜,发光角度也年夜,正在没有进行一次配光的状况下,其发光成果如图1。 



  由图1能够看露面发光型的LED发光角度较年夜,且光强近似于朗伯散布,即LED芯片的光强散布是以垂直于LED发光面的轴线标的目的为零度角的余弦散布,此中法线标的目的(即零度角)的光强为Io,恣意标的目的与法线的夹角为0,那末恣意标的目的的光强餍足


  


(1)


  由于LED的光强餍足图1这类散布,以是为了进步光能行使率,需将面发光型LED进行二次配光。


  1.2方棒积分器的优化


  正在投影显示零碎中,光源收回的光是没有平均的,并且收回的光线是非常发散的,通过准直以及转机之后的光斑,其形态普通为圆形,而没有是显示器的矩形(4:3或许16:9的矩形).方棒的作用是对光源进行矩形整形以及平均照明,是一种叠加型非成像光学器件。其原理相似于光纤,入射光束经过正在方棒里屡次反射,从而使出射光斑平均。方棒既能够是实心的也能够是空心的。假如是实心的,那末光线正在方棒里发作的是全反射,其效率比空心的高些。假如是空心的,那末它能正在更短的长度内完成相反的照明平均性。由于光线正在空心方棒内具备更年夜的角度,正在长度相反时,光线正在空心方棒内发作反射的次数会比实心的多些。从能量的角度来说,方棒的长度与能量的丧失是成反比的,然而方棒的长度不克不及过短,由于入射光需求正在方棒内进行足够次数的反射能力使光斑处达到平均。对于方棒的长度与平均性的关系,文献给出了以下表白式:


  


(2)


  此中Λ示意平均度,l为方棒的长度,φmax为棒镜中最年夜的孔径角,为方棒断面的对角线长度(如图2)。方棒前面普通要接放年夜零碎,然后续放年夜零碎只能正在肯定数值孔径范畴内无效地工作,以是有的人援用光学扩大量或许拉格朗日没有变量来剖析方棒积分器最合适的尺寸。文献剖析了光学扩大量经方棒通报后的变动,患上出无理想状况下方棒截面高度与入射光斑半径的最好比率为1.535(即H=1.535R)时,零碎具备最年夜光能行使率。



  


  从Lagrange没有变量的角度登程患上出方棒的尺寸并非越年夜越好,而是存正在那末一个尺寸,正在该尺寸前提下能量行使率最高,并给出了初始尺寸确实定公式,这个公式就是式(2)的一种变形。


  2 投影照明零碎的设计计划


  2.1 准直构造


  LED的发光角度能够分为两局部:0≤0≤45。(小角度区域);45 o≤0<~900(大角度区域)。小角度区域用菲涅尔透镜来准直,大角度区域用抛物线型的反光杯来准直由于LED相对于准直镜来说很小,所以这里按点光源来处理。图3中标号2所指的部分,其效果等同于平板玻璃,所以光线在这里发生的折射也可以忽略不计。根据光学扩展量守恒定理可知,抛物面反光杯的出口半径与菲涅尔透镜的孔径是影响光束准直的主要因素。



  正在图3中,1所指代的局部是抛物面反光杯,它所采纳的资料能够是玻璃或许耐低温塑料,其内外表需求镀一层反射率较高的反射膜;2所指代的局部是一个空心圆柱,它所采纳的资料是透光率较高的玻璃;3所指代的局部是一个菲涅尔透镜,它正好能镶嵌正在空心圆柱上,其所采纳的资料是PMMA。图4是这类准直构造的三维模子,与常见的rrIR型准直构造相比,它的劣势正在于开发周期短,加工老本低。然而以及准直构造相比,它的弊病正在于长度较长,无益于投影零碎的小型化。



  2.2 耦合构造


  本设计辨别采纳的是白色、绿色以及蓝色的LED光源。其波长为规范的三原色波长,巨细辨别为435.8 nm(蓝色)、546.1 nm(绿色)以及700 nm(白色)。因为白色光源辨别与蓝色以及绿色光源的光线标的目的是成900的,因而需求添加一个光学器件将这些互相垂直的光线耦合到一个标的目的上。这里抉择二向分色镜,它的第1个作用是透过红光反射蓝光,让白色、蓝色的光耦合正在一个标的目的上;第2个作用是透过绿光反射红光以及蓝光,终极使3种颜色的光耦合到一个标的目的上。第2个二向分色镜直径的巨细与光束的截面直径巨细相称。为了搜集更多的能量以及将只管即便多的光束收敛于方棒积分器中,需求正在光路中添加聚焦透镜将光束膨胀,最初光线进入方棒积分器中进行光斑整形以及完成匀光成果。

 

  2.3 零碎构造


  整个光路能够分为4个局部:第l局部是光源;第2局部是二向分色镜;第3局部是聚焦透镜;第4局部是方棒积分器.思考到全体构造的松散性,辨别使白色光源与绿色光源、白色与蓝色光源之间形成90°。绿色光源与蓝色光源放弃程度,且各自上方加一个二分色镜。一样,思考到构造的松散性以及搜集更多的光线,聚焦透镜组以及二向分色镜之间的间隔应该越近越好。方棒积分器的参数设置要借助1.2节所论述的实践,它的入射端面应该处正在第3局部聚焦透镜的焦点处。


  3 仿真与后果剖析


  仿真软件采纳TracePro,仿真进程共追迹了30万条光线。正在图5中能够看到3种波长的光线被很好地耦合到方棒积分器的端面上。光线通过方棒积分器后,入射到DMD(Digital Mirror Device)上构成光斑。图6为照明面光照散布。正在图7中,光斑的形态近似于方形。图7反映了图6的剖面散布状态,它下面有两条曲线辨别反映了横向以及纵向的剖面状态。对于投影机的平均度的丈量办法,我国次要采纳的是国内规范ISO/IEC 2 1 1 1 8《Information to beincluded in specification sheets—Data projectors》以及我国信息工业部公布的SJ/T11298–2003《数字投影机通用标准》、sJ/T 1 1340–2006《液晶前投影机通用标准》、SJ/T11346–2006《电子投影机丈量办法》。这里采纳的是ISO/IEC 21118规范中的九点法。该办法是把照明面分红3×3的9个相等的矩形(如图8),这9个矩形的对称中心点的照度辨别是E1~E9,则平均度的较量争论表白式以下: 





  该照明零碎正在软件模仿的状况下,其平均度采纳9点法较量争论后的后果为84%,模仿效率为78%。


  4 论断


  今朝,复眼照明零碎以及方棒照明零碎是正在投影仪中使用最普遍的照明零碎.复眼照明零碎的构造复杂,开发周期长,加工老本较高.而方棒照明零碎的构造简略,开发周期短,加工老本低.本文的设计是正在方棒照明零碎的根底上,依据LED的发光特点以及共同的准直构造,设计了一款基于LED的平均照明投影光路零碎.从市场近况来看,其构造简略,开发周期短,老本昂贵,照明平均性适中.今朝,有些高端投影零碎的平均度能够达到90%以上.尽管与一些高真个投影零碎相比,其功能目标略有有余,但其正在节约老本以及工夫上有肯定劣势,并且咱们能够从这一设计中总结一些经历以及办法.因为本设计暂处于仿真阶段,若何正在原有根底上进步其功能并做成什物,将是下一步工作改良的指标。


编纂:Cedar