0 引 言
目前在投影系统中所用的光源多为UHP(Ul-tra High Performance)灯,即短弧超高压汞灯。UHP灯产生冷光,光效高,在相同的功耗下产生的光通量很大,光学扩展量(Etendue)效率即每单位光学扩展量的流明数也很高。它的发光弧很短,因此光学扩展量较小,适用于微型投影显示。然而使用UHP灯存在许多问题[1],系统中必须使用的分光与合系统、UV(Ultraviolet)和IR(Infra-red)滤色片会产生损耗降低最终的能量输出;它的寿命很短,限制了投影仪的使用时间;UHP灯的驱动电压太高,光源产生的热量大,散热问题成了光源设计的难点。这些都限制了微型投影仪的发展。
LED光源由于其寿命长、发热低、功耗小、体积小等优点在很多领域都得到广泛地应用,作为投影显示的光源,LED所发的光谱中由于没有紫外和红外光谱,可以减少为消除这些光谱所附加的光学元件给系统造成的能量损失也可以简化系统;LED可以快速切换,同时它的亮暗比比较高,可以提高系统的对比度。随着大功率LED的开发,越来越多的投影显示开始使用LED作为光源。但现在的LED的强度仍然太低,只有通过设计合理的照明系统结构,有效提高光能利用率,使其满足投影显示的要求。
1 投影系统对照明系统的要求
用LED作为投影仪光源的研究,在近几年有了很大的进展。由于LED光源与传统光源存在很大的差别,人们对使用LED作为光源的投影仪提出了新的要求。结合投影仪的设计指标和LED的特点,在设计照明系统时要有以下几个方面的要求:
a)对光通量的要求
投射到液晶光阀上(或者投影屏幕上)的光通量,是投影机的一个重要指标,而现在单个LED的功率不可能做得很大,发光效能也只有数十流明每瓦,因此在实际使用中要将许多LED排成一个阵列,以满足投影仪对输出光通量的要求。光源的光学扩展量可以表示为
其中NA为光源发光光束的数值孔径,为光源的发光有效面积。增加LED的排列在增加光通量的同时,也增加了光源的发光有效面积,即增加光源的光学扩展量。投影系统的光学扩展量已经由投影镜头的数值孔径和LCOS的面积决定,而光源的光学扩展量是不能超过投影系统光学扩展量的。所以在设计时一味的靠增加LED排列的数目是无法提高整个照明系统的光通量的。要根据投影机系统的光学扩展量、单个LED的面积、LED的发光角度、光通量等合理选择LED。
b)对均匀度的要求
对于照明系统的设计主要是针对光能传递的控制,它属于非成像光学的范畴,它要解决的是在辐射传递的过程中如何使传递能量最大化并且得到需要的照度分布。由于照明系统的均匀度直接反映在投影屏幕上,所以对投影照明的均匀性提出了很高的要求,通常要求照明系统的均匀度高于投影机的均匀度。以LED阵列作为光源,其在均匀度方面比点光源有很大的优势,系统更易实现均匀照明。
c)照明光束的孔径角
从液晶器件的特性考虑,液晶显示器件在大角度光束照明时会引起图像颜色的反转以及对比度的下降。而在投影系统中也使用了大量的光学干涉薄膜器件,大的光束孔径角会使得多层膜光谱特性产生显著变化。因此在投影光学系统中照明光束的相对孔径不能太大。同时要使照明系统的孔径角(投射到投影芯片上的光束的孔径角)与投影镜头的孔径角要匹配,以提高照明效率和设计成本。孔径角太大,光源的光学扩展量增大,大部分光能不能被利用。
2 使用LED作为光源的照明系统采用的一些结构形式
LED具有结构紧凑,价格低廉等优点是投影仪的理想光源,越来越多的人研究以LED作为光源的照明系统的结构,很多结构已被用于照明设计中[2]。但是LED光源每单位光学扩展量的光功率也远低于UHP灯,这就限制了投影仪的投影尺寸。因此将LED光源的光束按照照明设计要求进行整形和提高整个系统的光能利用率作为基于LED光源投影系统的设计目标尤为重要。本文以Osram公司的LE ATB A2A型号LED作为光源,分析LED与CPC集光器、锥形光棒组合的系统结构特性。LE ATB A2A光源的整个发光面由四个LED组成,一个蓝色LED,一个黄色LED和两个绿色LED。发光面是朗波体发光(发光半角为60°),总的光通量为689.3lm。设计的投影仪系统投射尺寸为19英寸,所用光阀为0.47英寸LCOS,投影镜头的相对孔径为1∶1.7.
2.1 CPC集光器
CPC集光器是一个理想的集光器,在理论上具有最大的集光效率。根据Winston和Welford的边缘光线原理[3,4],在一个集光器中,最大入射半角θ1的光线从最大入射孔径射入,最后从出射孔径的边缘射出,即入射孔径的边缘光线在出射孔径上也是边缘光线。入射孔径上角度小于θ1的光线均会通过系统且由出射孔径射出,如图1所示。在CPC集光器设计过程中,最大入射角度θ1、入射孔径d1,出射孔径d2,焦距f和总长度L满足如下关系(变量参见图2)。
考虑到所用的LED光源的发散角度很大,应用CPC集光器可以减小输出光束的发散角,使光源光线尽可能被系统收集利用,根据我们的设计要求,将LED放置在图1的出射孔径处,经过CPC的反射,要求发散角θ1=15°,已知CPC集光器的d2=3.12mm(LED发光面对角线)。根据公式(2)—(4)可以求得其它参数。求得f=1.96mm,L= 28.3mm。图3表示的是LED和CPC组成的集光系统,如图4表示的是出射孔径的矩形坎德拉图。从图4可以看到,光束的发散角由原来的60°转变为15°,光能利用率约为96%。由于LCOS芯片是矩形的,而CPC激光器输出横截面为圆形的光束,光斑与LCOS目标面无法匹配,对光能利用以及照明面的均匀度都会造成影响。
多面体CPC集光器可以根据光源发光面以及系统中照射面的形状和尺寸调整CPC集光器的入射孔径和出射孔径的形状。基于四面体CPC集光器的投影光学系统如图5所示,LED光源发出的光经过四面体CPC集光器,进入消杂光系统以减少杂光增加对比度,又通过PBS后在LCOS面板上被反射调制,最后由投影镜头投射在屏幕上。图6为最后屏幕上的照度图,由照度图可以看到屏幕上光照比较均匀。整个系统的光能利用率约为14%,投影屏幕上的光通量为94.25lm。
在设计CPC时,根据公式,当θ1较小的时,CPC集光器的长度L将急剧增大,会增加整个系统的体积和成本。Hinterberger[5]指出将CPC系统截取到原来长度的2/3时,孔径不会产生较明显的减少,这条规律对我们有效的缩短系统长度有非常重要的意义。
2.2 锥形光棒(tapered light pipe)
光棒为实心的玻璃棒或者由内表面镀高反射膜的反射玻璃平板组成的中空玻璃棒。光束在光棒内多次反射,使出射光斑均匀。实心光棒的全反射过程中没有光能量的损失,但材料吸收会影响光能的传输效率,同时光束的角度要满足全反射条件,因此对入射光束的角度和多次反射后光束的角度有要求。内表面镀高反膜的中空光棒系统中膜层的反射率会影响传输效率,镀反射膜光棒对输入光束的角度没有定,但镀高反膜会增加成本。通常光棒可以做成圆柱形、方形和锥形的。使用锥形光棒可以改变光束的数值孔径[6],图7为一典型的锥形光棒,输入面积为S输入,输入数值孔径为NA输入,输出面积为S输出,输出数值孔径为NA输出。它们有如下的关系。
通过改变输入和输出面积的比值就可以改变输出光束的数值孔径使它满足系统对孔径的要求。光棒的输入面积比输出面积小,由公式可以得出输出光线的孔径角度小于输入光线的孔径角度。通过锥形光棒系统,可以使以大角度入射的光束,经过多次反射以较小的角度出射出来。在图7中光线以角度u1入射到光棒中,光棒的锥角为β,那么光学在光棒内每反射一次,角度将减少2β,当光线的角度减小到小于光棒的锥角β时,光线将不在反射,而是由光棒内射出。
光棒的长度影响光线经过光棒后的均匀度,而光棒的长度又决定光棒的锥角以及入射面、出射面的面积,如果光棒太长,不利于系统的小型化,因此设计时要兼顾系统的长度和出射光束的均匀性。
根据对孔径以及均匀度的要求,设计了锥形中空光棒系统。光棒长度为20mm,图8为光棒输出平面的坎德拉图,可以看到光束的发散角由原来的60°调整为15°左右,将光源光棒系统应用在投影仪中,系统图如图9所示。光能利用率为15%。
3 结 论
本文分析了以LED阵列作为光源的投影仪的要求,并以Osram公司的LE ATB A2A型号LED作为光源,分别设计了基于四面形CPC集光器和锥形光棒结构的0.47英寸LCOS微型投影仪系统。通过模拟分析,这两种照明系统结构对于发光角度较大LED阵列具有很好的调节光束角度和收集光束的能力,并能在微型投影仪中实现高效的均匀照明。
参考文献:
[1] Murat H, Smet H D, Cuypers D, et al. Increased lumens perétendue by combiNIng pulsed LED’s[J].SPIE,2005,5740:1—12.
[2]王蔚生,姜维,窦晓鸣.用于投影机的发光二极管照明单元[J].光学学报,2005,25(6):855—859.
[3] Welford E T,Winston R.The optics of non-imaging concentrators[M].New York:Academic Press,1987.
[4] Winston R. Dielectric compound parabolic concentrators[J]. Ap-plied Optics, 1976,15(2):291—292.
[5] Winston H R.Efficient light coupler for threshold C∨erenkov coun-ters[J].Review of Scientific Instruments,1966,37(8):1094—1095.
[6] Li K,Inatsugu S,Sillyman S. Design and optimization of taperedlight pipes[J]. SPIE, 2004,5529:48—57.
作者简介:李晓艳(1974-),女,吉林省人,中国计量学院讲师,硕士,从事光学设计、微型投影系统设计研究。
E-mail:li-xiaoyan@cjlu.edu.cn
