DMD微投影显示的LED光学引擎设计.pdf

第3 5 卷第5 期20 09 年9 月光学技术O P T I C A LT E C H N I Q U EV 0 1 3 5N o 5S e p，2 0 0 9文章编号：1 0 0 2-1 5 8 2(2 0 0 9)0 5 0 6 4 6 0 3D M D 微投影显示的L E D 光学引擎设计孙文军1，张梅恒2，尹燕宗1，孟中3(1 哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，哈尔滨1 5 0 0 2 5；2 牡丹江师范学院物理系，黑龙江牡丹江1 5 7 0 1 2)(3 中国科学院长春光机所航测部，长春1 3 0 0 2 2)摘要：提出了基于矩形C P C 的微投影显示匀光方法。设计了由L E D、C P C、矩形复眼透镜及微显示芯片D M D 构成的光学引擎。利用基于蒙特卡罗法的光线迫迹软件分析了圆形C P C 和矩形C P C 对微投影显示匀光效果、光能利用率的影响。实验结果表明基于矩形c I 的光学引擎相对于基于圆形(飘：的光学引擎有如下优点：体积小，光学扩展量小，照度均匀性高达到9 2 以上，能昔利用率高达到4 3 以上，满足微显示芯片D M D 的要求。关犍词：矩形C P C；L E D；光学扩展鼍；光能利用率；照度均匀性中图分类号：T H 7 4 1 5文献标识码：AD e s i g no fL E Do p t i c a le n g i n ef o rm i c r o-p r o j e c t i o nd i s p l a yo fD M DS U NW e n-j u n l，Z H A N GM e i h e n 9 2，Y I NY a n z o n 9 1，M E N GZ h o n g s(1 H a r b i nN o r m a lU n i v e r s i t y，H a r b i n1 5 0 0 2 5，C h i n a)(2 M u d a n j i a n gT e a c h e r sC o l l e g e，M u d a n j i a n g1 5 7 0 1 2，C h i n a)(3 C h a n g e h u nI n s t i t u t eo fO p t i c s，F i n em e c h a n i c sa n dP h y s i c sC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c 目。C h a n g c h u n1 3 0 0 2 2，C h i n a)A b s t r a c t：Al i g h tu n i f o r m a z i n ga l g o r i t h mb m s e do nr e c t a n g L l l a rC P Ci sp r e s e n t e df o rm i c r o-p r o j e c t i o nd i s p l a y T h ed e s i g n e do p t i c a le n g i n ew i t hr e c t 舡啦C F Cc o n s i s mo fL E D，f l y w e y el e n sa n dm i c r o-d i s p l a yp a n e lD M D T h el i g h tu n i f o r m i t yO nt h em i c r o-d i s p l a yp a n e la n de f f l e r g ye f f i c i e n c yo ft h eo p t i c a le n g i n ew i t hr t a n g l l l a rC P Ci sa n a l y z e db ym e a n so fs o f t w a r e E x p e r i-m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dl i g h tu n i f o n n a z i n ga l g o r i t h ma n ds y s t m aa x n p a r e dw i t ho t h e fu n f f o r m a z i n gl i g h ta l 一r i t h ma n ds y s t e nh a v ea d v a n t a g e ss u c h 勰l 跚c a p a c i t y，l e s s e re t e n d u e，h i g h e rl i g h tu n i f o r m i t ym o r et h a n9 2 a n dh i g 1 日戗蝴e f f i c i e n c yo f4 3 t om e e tt h en e e d so fm i c r o-p r o j e c t i o nd i s p l a y K e yw o r d s：托c t a n 目l】a rc o m l x x m dp a r a b o l i cc v n c e m r a m r；l i g h t-m a i t t i n gd i o d e；e t e n d u e；e n e r g ye f f i c i e n c y；i l k m 血e n c eu-n i f o r m i t y，一满足投影显示的要求。U5 I吾近几年u、D 光源以其高达1 0 万小时的长寿1矩形c P c 及其匀光系统命，低的驱动电压，快的响应速度，宽色域，无紫外辐C P C(C o m p o u n dP a r a b o l i cC o n c e n t r a t o r)即复合射和红外辐射等优越性在照明及显示领域得到了广抛物面型聚光器，其最大的作用是能将能量高度集泛地应用【lJ。L E D 的亮度迅速增长，使得L E D 应中，并且能把大角度入射光线变成小角度的出射光用于微投影显示成为可能。但目前的L E D 亮度及线。它以W e l f o r d 和W i n s t o n 在1 9 7 8 年提出的边缘发光特点，使得单个L E D 难以满足微投影显示芯片光线原理为理论基础。最初的C P C 被应用于太阳的要求【卜刮。能收集领域，收到很好的效果。C P C 使得以最大人考虑到L E D 的低亮度及自身发光朗伯特性及射半角口人射的所有光线都必须从出射孔径的边微显示芯片的形状，沦文设计了基于矩形C P C缘出射，也就是说入射光束中的最外侧光线也应是(C o m p o u n dp a r a b d i cc o n c e n t r a t o r)的光学引擎系统，出射孔径处的最外侧光线，如图1 所示。并采用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对系统进行1 1C P C 设计原理模拟分析，结果表明基于矩形C P C 的照明系统能够不同的C P C 可由不同的抛物线经旋转得收稿日期：2 0 0 8 1 2 1 6；收到修改稿日期：2 0 0 9 0 2 1 2E-m a l l：s w j g o o d 0 1 3 9 1 2 6 0 0 m基金项目：黑龙江省青年基金(Q C 0 6 0)4 3)；哈尔滨市青年创新基金(R F U X(砌5 5)；哈尔滨师范大学自然基金预研助项目(0 8 X Y S 0 1)作者简介：孙文军(1 9 7 5)，男哈尔滨师范大学副教授，博士，从事影像光学与光电检测研究。6 4 6万方数据第5 期孙文军，等：D M D 微投影显示的L E D 光学引擎设计到【9,1 0 。如图2 所示，虚线1、2 是未经旋转的抛物线型反射镜(若应用于太阳能收集，其内表面为吸收材料)，其光轴都是水平的。反射镜1 的光轴绕自己的焦点厂1 旋转了2 0。后，反射镜1 至1 位置。反射镜2 也经同样的旋转(角度相同，方向相反)至2，最后形成了C P C，由于旋转角度的不同，C P C 能够接收的光线角度也不同。A图1C P C 的边缘光线图2a 的形成原理如图3，设抛物线的一支O Q P，其满足的方程在直角坐标系0 7 中表示为Y 7=x 2 4 f(1)图3C P C 的各参数计算其中焦距f=面，F 为焦点，a 为C P C 的出口半径，a7 为C P C 的入口半径，L 为C P C 的长度，Q 点在吡07 坐标系中的坐标为(x o，Y o)，设t r y 7 轴与复合抛物线的对称轴夹角a=口，则有f z o=2 a s i n(9 0。一口)=2 a 0 0 8 a1 了j：z 2(4 厂)：n 2 甜a f(2)f=a 2 0 0 孑a l l+2 a s i n t t(3)解得f=口7(1+s i n 2 a)(4)若入射介质折射率与出射介质折射率相同下，要得到最大聚光比，则入光1 3 半径和出光口半径的关系为a=a7 s i n a(5)由几何关系可得聚光器的长度L 为L=Y f c=【)!s a=f c o s a s i n 2 a(6)1 2 矩形C P C 匀光系统及模拟结果设计中，入光口的半径为L E D 的半径，L u m i l e d s 公司的L E D 芯片的半径为a=2 m m。由于微显示芯片D M D 所能利用的光线的角度为1 2。，所以设定出射光线的角度口大小为1 2。，根据上述公式便可以计算出C P C 的所有参数为47=2 m m(7)口=1 2(8)口=a7 s i n a=9 6 2 r a m(9)f=n7(1+s i n 2 a)：2 4 2 r a m(1 0)L=f o o s a s i n 2 a=5 4 6 7 r a m(1 1)通过上述各参数的计算，采用T r a c eP r o 软件得到C P C 的三维立体图如图4 所示，其中(a)为圆形C P C，(b)为矩形C P C。可以根据光源发光面的形状和照射面的形状、尺寸进行调节，提高了设计的灵活性，并且降低了整个系统工艺的难度和成本。由于矩形C P C 的出射口是个矩形，其排列可做到无缝拼接，且与微显示器件形状相似，提高了能量的利用率。(a)圆形C o)矩形图4C P C 三维立体图为了输出较理想的照度及均匀性，设计了如图5 所示的微投影显示系统。系统由L E D、矩形c P C、两个相同的矩形复眼、投影物镜及微显示芯片D M D构成。其中L E D 位于矩形C P C 的入光口处，矩形C P C 的出光口放置第一矩形复眼，且该位置为第二6 4 7万方数据光学技术第3 5 卷鞫艄图5 矩形C P E 匀光系统矩形复眼的前焦平面，微显示芯片D M D 位于投影物镜的后方焦平面上。第二矩形复眼通过投影物镜与微显示芯片之间形成物像关系。1 8 0黼酴甥秽0图6 照射面上的光线角度分布L e n g t h，m m图7 照射面上的照度分布图6 与图7 给出了软件的模拟结果。其中图6为照射到微显示芯片D M D 上的光线的角度分布，由图可看出照射到微显示芯片上的光线几乎都在1 2。之内，满足微显示芯片的接收要求，同时也提高了光能利用率。图7 给出了微显示芯片上的照度分布，可见微显示芯片上的照度是非常均匀的，软件显示照度均匀性结果为9 2。E 皿=兀A 皿s i n 2 口=丌Xa 2Xs i n 2 9 0。=4 7 t(1 2)E 1。n A I s i n 2 d=T cX 丌X 盘2Xs i n 2 1 2。=1 2 5 7=(1 3)E z=以1 S i n 2 口=丌(口是)2 s i 抛4 一s(1 4)表1 给出了基于圆形C P C 的匀光系统与基于矩形C P C 的匀光系统的优缺点比较，其中光学扩展量E 由式(1 2)、(1 3)、(1 4)给出，E u E D，E l，E 2 分别代表L E D，圆形C P C 和矩形C P C 的光学扩展量。A L E D，A 1，A 2 分别代表L E D 的发光面积，圆形C P C的出口面积和矩形C P C 的出口面积。长度由公式(6)计算得出。能量利用率与照度均匀性由模拟软件直接读出。可以看出基于矩形C P C 的匀光系统体积小、光学扩展量小、能量利用率高达4 3，光场均匀性达到了9 2。表1 圆形C P C 匀光系统与矩形a】c 匀光系统比较参数C P C出射面扩展量增长度能量利照度均，m 稿i l l t i m e sm m用率匀性圆形C 1)C2 9 07 42，1 45 4 6 73 39 0矩形C P C1 8 5 1 41 0 05 4。6 74 39 22 结论(1)提出的基于矩形C P C 的微投影显示光引擎匀光方法，使得微显示器件接收面上的照度均匀性达到了9 2。(2)设计的光引擎系统体积小、光学扩展量小、光能利用率高达4 3 以上。(3)为L E D应用于投影显示领域提供了新的可能性，同时也为投影显示及微投影显示领域的研究与开发提供了理论依据。参考文献：1 Z h d u d e v N T h e l i f ea n d t i m e s o f t h e L E D-a 1 0 0 y e a rh i 咖r y J N a t u r eP h o t c m i e s 2 0 0 7，1(4)：1 8 9 一1 9 2 2 m i j n M P C M，S a l t e r s B A，w i u 删O H U D b a 8 e d m i n i p r o j e e t i o n o m J s P I E，2 0 0 6，6 1 9 6：6 1 9 6 0 2 3】G i e lBV，M e u r e tY，T h i m p o n tH D e s i g no fa x i s y r a n e t“e a tt a i b r e dc o n e e l l l a a t o r sf o rL E Dl i g h t u l-e ea p p l i e a t i o n s【J S P m，2 0 0 6 6 1 9 6：6 1 9 6 0 3 4 H i d e oH L i g h ts o u r c ed e v i c ea n dp r o j e c t i o n o rd e v i c e V J a p a np a t c a t t。J a p a n l l-2 1 7 2 0 2，N i t t oK o g a k uI r k，S 8 i p a a l；K K，1 9 9 9 5 uY，S a t o r uM，H i r o s h iK，e ta 1 P r o j e c t i c n o rd i s p l a y(2 0 1 1 1 一p r i s i n gl i g h tS O I X I I t i 馏 P ，U Sp a t e n t，U S 2 0 0 4 0 0 2 7 5 4 5，S e i k oE p s o nC o r p o r a t k r a 2 0 0 4 6 C a z e sA M i n t z e fF 1 m p l e r a e n m t i o no fae o t o rc a l i b r a t i o nm e t h o df o rl i q u i dc r y 3 t a ld i s p l a y s J S P I E，2 0 0 1，4 2 9 5：2 6 7-2 7 8 7 T s u k a d aM C o b rc o r r e c f i o nm e t h o da n dd e v i c ef o rp r o j e c t i o n o r P U Sp a t e n t。U S 2 0 0 3 0 1 6 4 9 2 7A 1，2 0 0 3 8 1J e n k i n sDR，B e u z e k o mDC K a l t m a nG D i g i t a li m a g i n go D l o r i m e t e rf o rf a s tm e a s u r e m e n to fc h o m ac o o r d i n a t e sa n dh a n i n a n e eu n i f o r m i t yo f d i s p l a y s J S P I E。2 0 0 1，4 2 9 5：1 7 6 1 8 7【9 S，N o l x)r uY，J u nT，e tg t S t u d yo ft h r e e-d i m 日a s i o n a lC P c(C o m p o u n dP a r a b o l i cC b n o n a t o r)I a re o l l t o r JJ J o u r n a lo fJ a p a nS o l a rE n e r g yS o c i e t y，2 0 0 4，3 0(2)：3 州4 1 0 E 1 f or d W T W，W i n s t o n R T h e o o d c s o f n o n i r r l 疵g o n c e l l t l-t t。r s M ，N e wY o r k：A c a d e m i cP 煳。1 9 7 8 f，-奄u日日IJ!官nllI万方数据DMD微投影显示的LED光学引擎设计DMD微投影显示的LED光学引擎设计作者：孙文军，张梅恒，尹燕宗，孟中，SUN Wen-jun，ZHANG Mei-heng，YIN Yan-zong，MENG Zhong作者单位：孙文军,尹燕宗,SUN Wen-jun,YIN Yan-zong(哈尔滨师范大学,物理与电子工程学院,哈尔滨,150025)，张梅恒,ZHANG Mei-heng(牡丹江师范学院物理系,黑龙江,牡丹江,157012)，孟中,MENG Zhong(中国科学院长春光机所航测部,长春,130022)刊名：光学技术英文刊名：OPTICAL TECHNIQUE年，卷(期)：2009，35(5)被引用次数：0次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.Zheludev N The life and times of the LED-a 100-year history 2007(04)2.Krijn M P C M.Salters B A.Willemsen O H LED-based mini-projectionors 20063.Giel B V.Meuret Y.Thienpont H Design of axisymmetrical tailored concentrators for LED light sourceapplications 20064.Hideo H Light source device and projectionor device 19995.Osamu Y.Satoru M.Hiroshi K 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