基于led面光源的投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于led面光源的投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1ledremist投影系統(tǒng)中使用的大多數(shù)光源為uph（超級高反射）燈和短弧超高壓汞燈。UHP燈產(chǎn)生冷光,光效很大,在相同的功耗下產(chǎn)生很大的光通量,光學(xué)擴(kuò)展量(etendue)效率即每單位光學(xué)擴(kuò)展量的流明數(shù)也很高。由于它的發(fā)光弧很短,因此光學(xué)擴(kuò)展量較小,適用于微型投影顯示。然而使用UHP燈存在許多問題,例如在一個(gè)三片式的投影儀系統(tǒng)中,要用分光系統(tǒng)將白光分為三種原色光,因此需要三片分色鏡。這在一定程度上會提高成本以及增加系統(tǒng)的尺寸。另外UV(Ultraviolet)和IR(Infra-red)濾色片也會增加成本。由于每個(gè)光學(xué)元件亦會產(chǎn)生一定的損耗,因此降低了最終光學(xué)輸出。將白光分為R,G,B三種光以后,每一個(gè)顏色的光譜還是較大,因此減少了系統(tǒng)色域。UHP燈的另外一個(gè)缺點(diǎn)就是它的壽命很短,平均壽命為5000h,限制了投影儀的使用時(shí)間。此外UHP燈的驅(qū)動電壓太高,冷卻燈泡體積太大,價(jià)格較高,使用汞蒸氣以及有爆炸的危險(xiǎn)等。這都給投影系統(tǒng)的微型化以及便攜化造成了一定的阻礙。為了解決這些問題,越來越多的人開始關(guān)注LED(light-emittingdiode)光源。許多投影顯示使用LED作為光源。與傳統(tǒng)的投影儀光源相比,LED有許多優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)有紅色、綠色以及藍(lán)色的LED,所以不需要從白光中提取基本色。因此在LED的投影系統(tǒng)中不需要分光鏡和冷鏡。另外與UHP燈相比,LED光源不會發(fā)出紫外和紅外波段的光,系統(tǒng)中不需要UV和IR濾光片。這些都會使得系統(tǒng)的體積更小,成本更低,損耗更小。LED壽命很長,可以點(diǎn)燃10萬個(gè)小時(shí),大大提高了投影儀的使用時(shí)間。LED的體積小,驅(qū)動電壓低,是廉價(jià)密集可攜帶的投影儀的理想光源。LED光源的發(fā)光光譜很窄,接近于單色光,因此能產(chǎn)生大的色域,增加配色數(shù)目,提高圖像質(zhì)量。當(dāng)然LED也存在較大的劣勢,在實(shí)際的投影應(yīng)用中,LED的強(qiáng)度仍然太低。并且每單位光學(xué)擴(kuò)展量的效率也遠(yuǎn)低于UHP燈(大約為UHP燈的1/50)?，F(xiàn)在LED大多用作一些小的顯示例如掌上電腦PDA和手機(jī)中。現(xiàn)將使用LED作為微型LCOS(liquid-crystal-on-silicon)投影儀光源,設(shè)計(jì)合理的照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使其達(dá)到所要求的照度和均勻。2led光源的選擇—LED光源選擇選擇LED光源時(shí),要考慮LED的尺寸、排列、功率、發(fā)光角度等問題。一般在設(shè)計(jì)中,將許多LED排成一個(gè)陣列,作為面光源使用。增加LED的排列也就增加了發(fā)光有效面積,增加了光通量。然而增加LED的排列同時(shí)也會增加光源的光學(xué)擴(kuò)展量。投影儀系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展量由系統(tǒng)投影透鏡的F數(shù)以及LCOS光閥的面積決定。光源的光學(xué)擴(kuò)展量不能超過系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展量,因此一味增加LED的排列是沒有用的。光源的光學(xué)擴(kuò)展量公式為:Etendue=S×(NA)2(1)Etendue=S×(ΝA)2(1)其中S為光源的發(fā)光有效面積,即為單個(gè)LED的面積S0與排列個(gè)數(shù)N的乘積。S=S0×N(2)S=S0×Ν(2)NA為光源發(fā)光光束的數(shù)值孔徑,如果所選擇LED的發(fā)光角度小,就可以在保證光源的光學(xué)擴(kuò)展量不超過系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展量的同時(shí),增加LED的發(fā)光有效面積,亦增加光通量。另外一種直接提高LED效率的方法是在保證光學(xué)擴(kuò)展量不變的情況下增加光通量。例如將不同顏色的LED面光源通過合光技術(shù)結(jié)合起來。在圖1中,是一個(gè)三片式LCOS投影系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用RGB三種顏色的LED面光源,分別被對應(yīng)的LCOS光閥調(diào)制后反射,X棱鏡將三種顏色的光結(jié)合起來,反射進(jìn)投影透鏡。同時(shí)有一些文章研究在投影儀中使用RGBCA(紅綠藍(lán)青黃)五種顏色的LED面光源,結(jié)構(gòu)如圖2所示。使用五種顏色的LED面光源不但能增加光通量,而且可以得到更大的色域及更好的圖像質(zhì)量。在圖3中,分別顯示了RGB三色LED和RGBCA五色LED兩個(gè)系統(tǒng)的色域。三角形為三色LED投影系統(tǒng)的色域,而五邊形為五色LED投影系統(tǒng)的色域。即使在單片式LCOS投影系統(tǒng)中,也可以使用RGB三色面光源,以增加投影系統(tǒng)的流明值,如圖4所示。3偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與光棒耦合的工藝流程在傳統(tǒng)的投影儀中,使用橢球反光碗或者拋物面反光碗提高點(diǎn)光源照明光閥的效率。而在LED投影儀中,LED光源為面光源而非點(diǎn)光源,因此無法使用反光罩。在HirokiKaneko的文章中提到為了提高對面光源的光能利用率,可以采用“FF雙焦距光學(xué)系統(tǒng)”。圖5顯示了FF光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),其中FF光學(xué)系統(tǒng)被簡化為透過型光學(xué)系統(tǒng),以示說明。面光源以及LCOS分別置于照明透鏡的前焦面以及后焦面上。由于面光源被置于前焦面,面光源上任意一點(diǎn)發(fā)出的光線都被照明透鏡準(zhǔn)直;這些被準(zhǔn)直的光線經(jīng)過照明透鏡并沒有展開,而是大部分進(jìn)入投影透鏡;它們在照明透鏡的后焦面會聚,將LCOS置于后焦面上,因此LCOS被有效的照明。所以可以通過FF光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效率的投影儀。為了提高光能利用率,還可以在系統(tǒng)中加入與偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng),使得輸出光為單一偏振態(tài)。LED投射出來的非偏振光經(jīng)過偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變成偏振光。圖6顯示了LED陣列的偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理圖。偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括一個(gè)PBS(polarizationbeamsplitter),一個(gè)三角棱鏡以及1/2波片。通過這個(gè)結(jié)構(gòu),p偏振光被三角棱鏡的斜面反射,經(jīng)過1/2波片被轉(zhuǎn)換為s偏振光。同時(shí),s偏振光經(jīng)過PBS被反射仍然為s偏振光。偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過增加s偏振光將光效提高了1.4倍。通常所用的PBS膜對于45°入射的中心波長的光的偏振光分離作用比較好,而對其他角度入射的其他波長的光的分離作用較差。由于角度以及波長的影響,被偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)反射的s光和被1/2波片轉(zhuǎn)換的p光的強(qiáng)度不同,最后得到的光線并不均勻,因此把偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與光管耦合起來。為了提高光線的透射率,在三角棱鏡以及光棒之間設(shè)置一個(gè)很小的空氣間隙。這個(gè)空氣間隙使得光線在器件之間發(fā)生全反射,如同一個(gè)連續(xù)的波導(dǎo)。對于一個(gè)由棱鏡連接的光棒系統(tǒng),圖7中顯示了沒有空氣間隙情況下,光線傳播轉(zhuǎn)動90°的情況。光線b沿光軸傳播,在三角棱鏡的斜邊90°反射后繼續(xù)傳播,而光線a和光線c相對于光軸有一定的角度,它們在傳播的過程中損失掉了。為了解決這個(gè)問題,在系統(tǒng)中增加了空氣間隙,如圖8所示。光線a被三角棱鏡斜邊反射并沒有直接射向輸出面,而是在三角棱鏡對應(yīng)入射光棒的面上發(fā)生全反射,兩個(gè)面之間有一個(gè)小小的空氣間隙。被全反射的光線傳播進(jìn)入出射光棒。光線c在棱鏡與出射光棒對應(yīng)的面上也產(chǎn)生同樣的全反射。因此光線在光棒與直角棱鏡系統(tǒng)中傳播如同在筆直光棒中傳播的效果。圖9為偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與光棒耦合的結(jié)構(gòu)。包括了與偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)耦合的光棒以及照明透鏡的復(fù)雜FF光學(xué)系統(tǒng)如圖10所示。在系統(tǒng)中,使用的LED陣列為7個(gè)一組的白光LED光源,功率為7W,輸出140lm,發(fā)光半角為30°。為了提高效率,使用了兩個(gè)LED面光源。光源發(fā)出的光經(jīng)過對應(yīng)的偏振光轉(zhuǎn)換系統(tǒng),進(jìn)入光棒得到充分的均勻,而照明透鏡將光能盡量地會聚在LCOS上。圖11為LCOS面板上的照度圖,整個(gè)LCOS上的光強(qiáng)分布比較均勻,且到達(dá)LCOS光閥的效率約為30%。可以看到使用LED作為投影儀光源,整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊,結(jié)構(gòu)也很簡單。如果能夠根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求得到LED面光源,將使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)更為簡單廉價(jià),效率更高。4基于led的微型投影照明部分設(shè)計(jì)思路投影儀光源部分的設(shè)計(jì)在一定程度上就是對光束的整形,以使得LCOS光閥上的光效最高且均勻度好。LED光源由于其強(qiáng)大優(yōu)勢被人們越來越重視。但因其發(fā)光強(qiáng)度太低而大大限制了它的使用范圍?；贚ED的微型投影儀照