基于LED的均匀照明投影光路设计[1]

　　LED(1ight emitting diode)发光二极管，是21世纪具有竞争力的新型固体光源，它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长，可靠耐用、无污染、控制灵活等优点。随着LED技术不断完善，LED的光通量及光效将不断提高。LED技术必将开辟照明技术革命的新时代。

　　小型化和长寿命是现代投影技术的发展方向。近年来，随着高亮度LED器件的出现，为现代投影显示系统的长寿命和小型化提供了新的可能。LED在投影显示系统的应用中有着传统光源无法替代的优点。但是由于LED的外形、发光特性与现有投影灯光源的形状、发光特性不同，使得LED无法直接应用于现有的照明系统，而且无法满足投影系统小型化的要求。因此在利用LED作为投影光源的过程中，需要采用新的配光方法将光强呈余弦分布的LED重新配光，最终实现均匀分布的矩形光斑。如今，非成像光学的理论已经相当完备，它的很多原理已经渗透到生活中的各个领域。而把它引人到投影系统的文献也有很多，本设计采用方棒匀光的方法，独特的准直结构实现了均匀照明的投影光路，它所用的光学器件简单，结构紧凑，比复眼匀光系统的能量利用率高，均匀性更好。因此，方棒照明系统应用于LED投影机的发展前景十分广阔。

　　1 设计原理

　　1.1 LED的光学特性

　　LED可分为面发光型和边发光型,面发光型的出光面与PN结构平面平行,边发光型是从PN结的一个端面(与结平面垂直)出光。面发光型LED的光功率较边发光型大，但出光面大，发光角度也大，在不进行一次配光的情况下，其发光效果如图1。　

　　由图1可以看出面发光型的LED发光角度较大，且光强近似于朗伯分布，即LED芯片的光强分布是以垂直于LED发光面的轴线方向为零度角的余弦分布，其中法线方向(即零度角)的光强为Io，任意方向与法线的夹角为0，那么任意方向的光强满足

(1)

　　因为LED的光强满足图1这种分布，所以为了提高光能利用率，需将面发光型LED进行二次配光。

　　1.2方棒积分器的优化

　　在投影显示系统中，光源发出的光是不均匀的，而且发出的光线是十分发散的，经过准直和转折之后的光斑，其形状一般为圆形，而不是显示器的矩形(4：3或者16：9的矩形).方棒的作用是对光源进行矩形整形和均匀照明，是一种叠加型非成像光学器件。其原理类似于光纤，入射光束通过在方棒里多次反射，从而使出射光斑均匀。方棒既可以是实心的也可以是空心的。如果是实心的，那么光线在方棒里发生的是全反射，其效率比空心的高些。如果是空心的，那么它能在更短的长度内实现相同的照明均匀性。因为光线在空心方棒内具有更大的角度，在长度相同时，光线在空心方棒内发生反射的次数会比实心的多些。从能量的角度来讲，方棒的长度与能量的损失是成正比的，但是方棒的长度不能太短，因为入射光需要在方棒内进行足够次数的反射才能使光斑处达到均匀。关于方棒的长度与均匀性的关系，文献给出了如下表达式：

（2）

　　其中Λ表示均匀度，l为方棒的长度，φmax为棒镜中最大的孔径角，为方棒断面的对角线长度(如图2)。方棒后面一般要接放大系统，而后续放大系统只能在一定数值孔径范围内有效地工作，所以有的人引用光学扩展量或者拉格朗日不变量来分析方棒积分器最合适的尺寸。文献分析了光学扩展量经方棒传递后的变化，得出在理想情况下方棒截面高度与入射光斑半径的最佳比率为1.535(即H=1.535R)时，系统具有最大光能利用率。

　　从Lagrange不变量的角度出发得出方棒的尺寸并不是越大越好，而是存在那么一个尺寸，在该尺寸条件下能量利用率最高，并给出了初始尺寸的确定公式，这个公式就是式(2)的一种变形。

　　2 投影照明系统的设计方案

　　2.1 准直结构

　　LED的发光角度可以分为两部分：0≤0≤45。(小角度区域);45 o≤0<～900(大角度区域)。小角度区域用菲涅尔透镜来准直，大角度区域用抛物线型的反光杯来准直由于LED相对于准直镜来说很小，所以这里按点光源来处理。图3中标号2所指的部分，其效果等同于平板玻璃，所以光线在这里发生的折射也可以忽略不计。根据光学扩展量守恒定理可知，抛物面反光杯的出口半径与菲涅尔透镜的孔径是影响光束准直的主要因素。

　　在图3中，1所指代的部分是抛物面反光杯，它所采用的材料可以是玻璃或者耐高温塑料，其内表面需要镀一层反射率较高的反射膜;2所指代的部分是一个空心圆柱，它所采用的材料是透光率较高的玻璃;3所指代的部分是一个菲涅尔透镜，它正好能镶嵌在空心圆柱上，其所采用的材料是PMMA。图4是这种准直结构的三维模型，与常见的rrIR型准直结构相比，它的优势在于开发周期短，加工成本低。但是和准直结构相比，它的弊端在于长度较长，不利于投影系统的小型化。

　　2.2 耦合结构

　　本设计分别采用的是红色、绿色和蓝色的LED光源。其波长为标准的三原色波长，大小分别为435.8 nm(蓝色)、546.1 nm(绿色)和700 nm(红色)。由于红色光源分别与蓝色和绿色光源的光线方向是成900的，因此需要增加一个光学器件将这些相互垂直的光线耦合到一个方向上。这里选择二向分色镜，它的第1个作用是透过红光反射蓝光，让红色、蓝色的光耦合在一个方向上;第2个作用是透过绿光反射红光和蓝光，最终使3种颜色的光耦合到一个方向上。第2个二向分色镜直径的大小与光束的截面直径大小相当。为了收集更多的能量和将尽量多的光束收敛于方棒积分器中，需要在光路中增加聚焦透镜将光束收缩，最后光线进入方棒积分器中进行光斑整形和实现匀光效果。