摘要：照明系统作为投影仪的重要组成部分，对于整个系统的亮度和均匀度起着决定性作用。本文提出了一种特殊的复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)作为回复反射器微型投影仪照明系统，目的在于利用CPC 特殊的几何结构对 UHP(Ultra High Performance)光源发出的部分光线进行收集循环利用，以提高整个系统的光能利用率。通过在 Tracpro 软件中建立整个单片式 LCOS 微型投影仪照明系统进行光线模拟，结果表明：使用特殊 CPC 回复反射器以后，投影到屏幕上的能量提高约为单纯利用椭球形反光碗收集光线时的两倍。
引 言
随着近年来投影显示迅速发展，投影机的应用范围不断扩大，已经开始从教育等专业市场逐步向家庭，娱乐等新兴市场转移，为了适应市场发展的需要，开发低成本、性能适中、工艺简单的小型投影仪已成为必然趋势。
对于投影仪的评价目前主要从三个方面进行：1) 屏幕上的亮度：单纯依靠改变光源自身功率来提高屏幕亮度的方法是不理想的，目前主要采用提高光源效率、减少光学组件能量损耗和加装微透镜等技术手段来提高亮度。2) 屏幕上照明均匀性：在投影仪的照明系统设计中通常采用两种器件来实现照明均匀化目的，一是采用成像元件—透镜阵列[1]，另一种是非成像元件—积分光管[1]，比较这两种器件实现照明均匀化的原理，透镜阵列的加工和设计过程过于复杂并且成本高，而积分光管是通过使光线进入其内部后经多次反射后，实现在光管的末端形成均匀的照明的目的，具有结构简单紧凑、造价低廉，高效率等特点，所以在本文的微型投影仪的照明系统设计中，采用积分光管来实现照明均匀化目的。3) 由投影仪投影镜头确定的像质评价。本文着重讨论的是投影仪照明系统设计，主要从前两个因素来考虑完善投影仪照明系统的设计。
本文所设计的单片 LCOS(Liquid Crystal onSilicon)微型投影仪系统结构图如图1 所示，从整体结构上分为照明系统和投影系统两部分，是采用微型滤光膜的单片式 LCOS 结构，LCOS 技术是近几年出现的新型微型显示技术，具有高分辨力，高光利用效率，低功耗等独特优点，是一种目前在制造技术比较成熟和具有巨大发展潜力的显示技术。该投影仪系统基本原理为：光源产生的光线首先通过椭球反光碗和特殊CPC 回复反射器的收集，会聚在锥形光管的入口处，再通过光线在锥形光管内的多次反射来实现光线均匀化和光束校正的目的，以满足 LCOS 面板和投影镜头的要求;从锥形光管出射的光束在到达 LCOS 面板之前还需依次通过平面镜，2f 系统，PBS(Polarization Beam Splitter)，最后在 LCOS 面板上反射后的光线由投影镜头投射到屏幕上。此结构特点在于：结构较为简单，成本较低，在没有使用 PCS(PolarizationConverter System)[2]情况下，达到了一定的理想的光源利用率。
1 照明系统设计
1.1 UHP(Ultra High Performance) 光源
UHP 光源是一种理想的冷光源，是现在小型和通用投影仪光源的主流，其优点在于不仅能达到投影机所要求的光亮度、色温要求，而且发光频谱覆盖整个可见光全部范围，在使用相同功耗下，能产生大光量，寿命较长，亮度衰减很小，当衰竭时，即刻熄灭。在本照明系统设计中对光源建模时，采用一组嵌套的圆柱体光源[3]近似的模拟实际光源发光的空间位置分布。
1.2 特殊CPC回复反射器
在投影仪照明系统中，为了提高光源能量利用率，主反光碗和回复反射器[4]会联合使用于收集光线，最典型的就是椭球反光碗和球形回复反射器。本文提出了一种由CPC 聚光器演变而来的回复反射器，在相对球形回复反射器较小的尺寸下，完成收集光线和提高能量利用率。
CPC 聚光器是通过边缘光线原理对光锥聚光器[5]进行改进得到的，如图2 所示根据边缘光线原理入射光束中的最外侧光线也是出射孔径的最外侧光线并在P 点出射，显然在整个平面内光线方向变化具有抛物线形状。CPC 集光的三维反射表面是通过抛物线绕聚光器对称轴(而不是绕抛物线轴)旋转而得到的，并且光轴倾斜角角度与最大倾角入射光线平行，抛物线焦点位置在反射面P 点。
本文中提到的特殊 CPC 聚光器的反射面也是通过抛物线绕聚光器对称轴旋转得到的，特殊之处在于构成CPC 聚光器的抛物线自身的轴与 CPC 聚光器对称轴相互垂直。如图3 所示将此CPC 聚光器作为回复反射器与椭球反光碗联合起来，将光源放在椭球反光碗的第一焦点处，同时也是构成CPC 回复反射器的抛物线的焦点，并调整特殊CPC 回复反射器的长度使其与椭球反光碗的焦距相等，目的在于收集尽可能多的光线。在对光进行收集过程中，一部分光被椭球反光碗直接收集并汇聚到其第二焦点处，而一部分光被特殊CPC 回复反射器收集，并在CPC 回复反射器内部经过第一次反射后并没有像球形回复反射器那样直接回到光源，而是沿着与 CPC 回复反射器对称轴相垂直的的方向传播，然后经过对面反射面第二次反射后才回到光源，重新被椭球反光碗收集。正是因为在 CPC 回复反射器内部的反射次数比普通球形回复反射器多一次，所以折叠效应[4]比较明显，不仅达到收集光线，减小光源光扩展量的目的，而且在具有相同收集能力的情况下 CPC 回复反射器的尺寸要比球形回复反射器小。
1.3 锥形光管
锥形光管是投影仪中常用的光学器件，用于对进入锥形光管的光束进行均匀度和角度改造，以满足后继光学元件的照明要求。为了减小产品成本和重量，锥形光管设置为中空形式，内镀反射膜并与CPC 回复反射器输出面紧密连接。在对锥形光管的设计中通过确定锥形光管的三个因素：入口,出口和长度来确定锥形光管的几何结构：
1) 出口尺寸定为9.7mm×7.3mm 略大于LCOS 面板9.6mm×7.2mm，以便消除于LCOS 面板边缘的渐晕现象。
2) 由于在不考虑吸收和菲涅尔反射的能量损失，锥形光管可以看为光学扩展量守恒的器件，即锥形光管进出口处的面积与各自入出射光束的立体角乘积不变。则具有与锥形光管出口相同长宽比例的入口面积Ai为
其中Ao为锥形光管出口面积，θi是椭球反光碗收集光束在其第二焦点处的出射角度[6]，而F/#由投影镜头所决定的。
3) 长度对于光束均匀度的影响很大。虽然锥形光管长度增加，光束的反射次数增多有利于提高均匀度，但是由于反射所带来的能量损失也会增加，一般情况下对于大多数光线在锥形光管内反射 3 次，基本上可以满足对均匀度的要求，在本设计中通过更改锥形光管长度观察均匀度和能量利用率之间的变化，最终确定长度为25mm。
1.4 2f系统
2f 系统用于本投影仪照明系统设计中，目的在于消除杂散光，并将锥形光管的出口成像在 LCOS 面板上，使 LCOS 光阀获得充分均匀照明;在锥形光管和 2f 系统之间加入平面镜目的在于折叠光路，以缩小系统体积，减小系统工作面距离。
2 计算模拟
本文选用 Tracepro 仿真分析软件对整个微型LCOS 投影仪进行仿真和分析。在此微型投影仪系统中，使用0.47 英寸LCOS 面板，经过投影镜头最后投射面积为19 英寸。UHP 光源功率设定为 35W，总的光通量为 2500lm，其发出的光经过椭球反光碗和特殊CPC 回复反射器的收集，汇聚于椭球反光碗的第二焦点处，图4 为椭球反光碗的第二焦点处所形成照度图，由于是圆形光斑无法直接用于LCOS 面板照明，所以运用锥形光管对光束进行改造。图5 是进入锥形光管的光线经过多次反射后在锥形光管出口处形成的照度图，为了方便与图4 进行比较，观察面设置大小相同，位置不同。图 6 中分别是锥形光管进出口处的堪德拉分布图，表明锥形光管在完成提高均匀度任务的同时还完成了对光束角度的改造，以满足投影镜头数字孔径的需要。
图7 是锥形光管出口处射出的光线经过2f 成像系统和 PBS，到达LCOS 平面上的照度图。根据13 点测量图计算均匀度，LCOS 上均匀度达到90%。图8 是由 LCOS 面板控制的光经过投影镜头到达投影屏幕上的光强照度图，由于投影镜头的影响，投影屏面的均匀度相比在LCOS 面板上有所降低，均匀度为86%。
为了显现特殊 CPC 聚光器作为回复反射器与椭球反光碗联合起来完成了收集光线所达到提高光能利用率的优点，如图9 所示在照明系统计算模拟过程中利用单个椭球反光碗取代特殊 CPC 聚光器与椭球反光碗联合收集光线方式，图10 是在此系统中光经过投影镜头到达投影屏幕上的光强照度图。考虑到达微型滤光膜 LCOS 芯片上的光能只有1/3 被利用的特点，采用式(2)计算投影仪整体系统光能利用率η，以便使投影仪系统设计更符合实际情况。通过分别对两个系统的光能利用率计算，利用单个椭球反光碗收集光线所得到的系统的利用率为3.5%，而利用特殊CPC 聚光器作为回复反射器与椭球反光碗联合起来完成了收集光线任务的投影仪系统光能利用率为6%，从而提高了投影到屏幕上的能量。
3 结 论
在此微型投影仪照明系统设计中，利用特殊 CPC 聚光器作为回复反射器与椭球反光碗联合起来完成了收集光线和提高光能利用率的任务，在考虑反射率为 97%时所造成的反射损耗和微型滤光膜 LCOS 芯片对光能利用率影响的情况下，整个系统的光能利用率为 6%，在最后的屏幕上约有 150 流明。对于具有一定弧长的光源来说，光能利用率已经是取得了很大改善，并且该微型投影系统所得到的照度，可以满足实际的设计要求，整个系统结构简单、紧凑，相应在实际装配的时候，由于装配影响，光能利用率应有所降低。
参考文献：
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作者简介：甄艳坤(1979-)，女(汉族)，北京人，博士研究生，主要研究工作是非成像光学系统的研究与设计。E-mail: yankunzhen@gmail.com
