單顆led光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

單顆led光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

0leduhpled光顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)介目前，投影顯示系統(tǒng)中使用的大多數(shù)光源都是uhp（超級(jí)高動(dòng)態(tài)壓力、短弧超聲）汞燈。uhp汞燈具有冷光，光效高。在相同的能耗下產(chǎn)生的光通量大，光學(xué)擴(kuò)展效率（每個(gè)單位的光學(xué)擴(kuò)展量的明確數(shù)據(jù)）高。uv共鑄發(fā)光燈的輸出弧較短，光學(xué)擴(kuò)展能力小，適用于微束成像。然而，uv民事燈存在一些缺點(diǎn)，例如缺點(diǎn)。uh的長(zhǎng)度很短，通常為6000h。（2）由于使用一段時(shí)間，產(chǎn)生明顯的亮度衰減。（3）由于光強(qiáng)不平等，光的不均勻需要調(diào)整。（4）由于uh和uh的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)法快速啟動(dòng)。燈（light-fid-move，照明矩陣）是一種應(yīng)用廣泛的光學(xué)設(shè)備，如手機(jī)鍵盤(pán)的校正、各種指示和屏幕顯示。與uh相比，uh的優(yōu)點(diǎn)是：（1）幾乎所有的uh光譜集中在光譜分析器上，效率可達(dá)80%90%。（2）光的純度很高。（3）由于其抗疲勞動(dòng)性好，壽命長(zhǎng)，燈的重量已降至70%。（4）由于有良好的抗彎性，它對(duì)人們的預(yù)期應(yīng)用有很大的缺點(diǎn)。在實(shí)際的投影應(yīng)用中，監(jiān)視電話艦的光強(qiáng)度仍然很低。只有通過(guò)設(shè)計(jì)合理的照明系統(tǒng)才能滿足投影顯示的要求。美國(guó)專(zhuān)利的“面向獨(dú)立光束系統(tǒng)”的概念介紹了一個(gè)系統(tǒng)，將矩陣用作光源的lp（生物照明處理器）的陰影顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以綠帶為光源，減少了體積和重量，延長(zhǎng)了壽命。通過(guò)將紅色、綠色和藍(lán)帶的空比以及反射鏡合成所需的顏色。采用多個(gè)LED與高反射率梯形混光筒設(shè)計(jì)適合于DLP(Digitallightprocessing,數(shù)字光學(xué)處理)系統(tǒng)的光源,該系統(tǒng)在出射面獲得了很高的照度均勻性和能量利用率.該系統(tǒng)同樣適合于其他微顯示裝置.以下將詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)方法與模擬結(jié)果.1反射均勻光系統(tǒng)1.1光柵—LED陣列單個(gè)LED的光通量只有幾十流明,難以滿足投影顯示的需要.為了增加光源的光通量,很多人嘗試將多個(gè)LED矩陣式排列成面板,作為投影顯示的光源,這樣既增加了光源發(fā)光的有效面積,也增加了光源的光通量,更適合作為投影顯示的光源.選擇LED光源時(shí),要考慮LED的尺寸、排列方式、功率、發(fā)光角度等問(wèn)題.梯形筒勻光系統(tǒng)的光源—LED面板,采用9個(gè)LED3×3矩陣排列,如圖1所示.LED陣列位于面板的正中間,光源的主光線不會(huì)被梯形筒反射直接入射到出射面,減少了光能量的損失,同時(shí)可增加出射面中央大部分的亮度.增加LED的排列同時(shí)也會(huì)增加光源的光學(xué)擴(kuò)展量,所以不能一味的增加LED的排列,否則既浪費(fèi)了光能量,又增加了光源的散熱難度.如果選擇發(fā)光角度小的LED就可以使整個(gè)面板的光學(xué)擴(kuò)展量盡量的小.采用Lumiled公司生產(chǎn)的1W的LED,封裝半球直徑約0.5cm,考慮到面板的尺寸和LED的散熱效果,正方形面板邊長(zhǎng)為4cm,LED間距為0.5cm.LED陣列可以采用多種形式排列,每一種排列方式都會(huì)有不同的效果,最終目的是在照明面上達(dá)到較高的光強(qiáng)度和照度均勻性.1.2獨(dú)立的混合光催化機(jī)器傳統(tǒng)的勻光方式大致分為三種:積分球勻光法、光棒勻光法、新型反光鏡勻光法等.積分球法光能損失大,光能利用率只有40%;方棒長(zhǎng)度較長(zhǎng),不利于投影儀的微型化設(shè)計(jì);新型反光鏡法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝難度大,無(wú)法做到實(shí)用.照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)光能傳遞的控制,它屬于非成像光學(xué)的范疇,它要解決的是在輻射傳遞的過(guò)程中如何使傳遞能量最大化并且得到需要的照度分布.梯型混光筒如圖2所示,類(lèi)似于CPC(復(fù)合拋物聚光器).在梯形筒底部放置LED面板光源,LED發(fā)出的光線被梯形筒四個(gè)內(nèi)壁無(wú)吸收的反射并進(jìn)行充分的混合.LED具有較大的發(fā)散角,光線不集中,梯形筒可以約束大角度的光線在筒內(nèi)向底部反射,最終照射到梯形筒的底部出射面.圖3給出了梯形筒內(nèi)的混光效果.可見(jiàn),梯形混光筒能夠收集發(fā)散角較大的入射光線,且經(jīng)筒壁反射后得到小面積的照明,從而使入射光輸出面積大小和形狀滿足要求.出射面大小為0.55英寸的正方形.改變梯形筒的長(zhǎng)度就可以改變光線在筒內(nèi)反射的次數(shù),以調(diào)節(jié)底部出射面上的照度均勻性.在非成像投影顯示的照明中,研究的是如何獲得一個(gè)矩形的光能量均勻分布的光斑.應(yīng)用于不同場(chǎng)合的照明系統(tǒng),都需解決光能利用率和光能的二次分布.由于梯形筒底部本身是一個(gè)正方形,出射光能夠在照明面上形成矩形光斑,因此不需要進(jìn)行光斑的轉(zhuǎn)換.2led單光系統(tǒng)的均勻性分析通過(guò)TracePro軟件光線追跡模擬,可以獲得出射面各點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)值.根據(jù)各點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)采用九點(diǎn)法計(jì)算出射面的照度均勻性.調(diào)制梯形筒的長(zhǎng)度后,又可得到一個(gè)均勻性.最后利用Origin軟件畫(huà)出均勻性隨筒長(zhǎng)度的變化曲線.從曲線圖中可以看到,圖中顯示有多個(gè)波峰,相鄰的峰值相差不是很大.考慮到系統(tǒng)最優(yōu)化,經(jīng)分析梯形筒長(zhǎng)度在L=46.58mm時(shí)出射面的照度均勻性較好.取L=46.58mm重新建立模型,增加光線數(shù)量,效果會(huì)更接近實(shí)際的情況.采用90萬(wàn)條光線在TracePro軟件中重新光線追跡,出射面照度分布如圖4和圖5所示,入射光線經(jīng)過(guò)梯形筒充分混合后投射出來(lái),并在整個(gè)出射面上得到照度均勻分布的光.根據(jù)ANSI/NAMPIT7.228-1997,對(duì)于投影機(jī)的9點(diǎn)測(cè)試法而言,將照明面分成9個(gè)大小均等的矩形,照度計(jì)探測(cè)器位于每一個(gè)矩形的中心進(jìn)行測(cè)量,將9個(gè)點(diǎn)的照度的平均值作為整個(gè)照明面的平均值.由于只取9個(gè)點(diǎn),所得到的平均值只是一個(gè)近似的值.對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬來(lái)說(shuō),對(duì)照度圖的分析要比實(shí)際投影屏幕上照明的分析簡(jiǎn)單,所以照度圖中平均照度的計(jì)算我們?nèi)”閳D中所有點(diǎn),因?yàn)閳D像分辨率是128×128,即有128×128個(gè)點(diǎn),計(jì)算的均勻性的結(jié)果更準(zhǔn)確.經(jīng)計(jì)算,設(shè)計(jì)的梯形筒混光系統(tǒng)勻光效果很好,出射面均勻性?xún)?yōu)于90%,能量利用率達(dá)到65%.LED發(fā)出的光線會(huì)有少部分反射到LED間隙的面板上,面板應(yīng)用高反射率材料,反射到面板上的光線經(jīng)面板再次反射而投向出射面方向,有少部分的光能損失.根據(jù)軟件模擬發(fā)現(xiàn),還有約2.84%的光線沒(méi)有入射到出射面,這是因?yàn)橛行┙嵌鹊陌l(fā)射光線會(huì)在梯形筒內(nèi)反復(fù)反射,實(shí)際應(yīng)用中這些光線都會(huì)被吸收,從而降低了能量的利用率.要盡可能利用LED的發(fā)出的光,可以使用一種橢球面反射器把每一個(gè)LED發(fā)散的光收集成平行光或小角度的發(fā)散光,很大程度上減小了光束角度,充分的利用了LED的光能.3led光催化反應(yīng)投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要任務(wù)是對(duì)光源光束的整型,同時(shí)滿足出射面的照度均勻性要求.梯形筒的設(shè)計(jì)使光線發(fā)散角減小,并均勻的