基于LED光源的單片式DLP照明系統(tǒng)設(shè)計
劉 旖，林祖?zhèn)悾羁党桑跣【眨谴鬄椋?nbsp; 匿
( 電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 610054 )
摘要：在較小體積的照明系統(tǒng)中實現(xiàn)較好的照明效果是近年來微投影儀的主要發(fā)展方向。本文在對DLP (Digital Light Processing)微投影顯示系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種緊湊的基于LED光源的單片式DLP照明光路結(jié)構(gòu)。當(dāng)照明光斑尺寸滿足0.3英寸的DMD(Digital Micromirror Devices)芯片時，中繼系統(tǒng)的長度縮短至原來的50%左右。并利用ZEMAX軟件分別對基于理想點光源和擴(kuò)展面光源的照明系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。追跡50萬條光線的仿真結(jié)果表明，本設(shè)計在兩種光源模型下都可得到均勻的照明光斑，系統(tǒng)的光能利用率在33%左右。 關(guān)鍵詞：DLP；微投影顯示；照明均勻度；復(fù)眼透鏡；中繼系統(tǒng)
The Illumination System Design of One Chip DLP Optical Engine Based on LED Light Source
LIU Yi，LIN Zu-lun，QI Kang-cheng，WANG Xiao-ju，RUI Da-wei，SHEN Ni
( School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China )
Abstract: Achieving good illumination performance in a compact illumination system is the main development direction of micro-projector. A compact illumination system of one chip Digital Light Processor (DLP) projector making use of LED light source is introduced based on the analysis of the DLP micro-projection display system. The length of the relay system is shortened to about 50 percent while the light spot is big enough for illuminating the 0.3 inch Digital Micromirror Devices (DMD). Meanwhile, two models of illumination system respectively based on an ideal point source and an extended surface source are simulated by ZEMAX software. The 500,000 threads tracing simulation results show that, our design can achieve uniform light spot in a relative small system size. The utility rate of luminous energy of this illumination system is about 33 percent.
Key words: DLP; micro-projection display; illumination uniformity; fly-eye lens; relay system
0 引 言
LCD(Liquid Crystal Display)、LCoS(Liguid Crystal on Silicon)與DLP是目前三大主流投影顯示技術(shù)，與前兩種投影顯示技術(shù)相比，DLP具有以下明顯的優(yōu)勢：體積小重量輕，便于攜帶；光能利用率高，功耗低；采用全數(shù)字控制，具有精確的彩色再現(xiàn)能力；投影亮度和對比度高；電磁輻射低，可防止信息泄露；對惡劣環(huán)境忍耐度高。
隨著近年來微投影機市場的迅速增長，DLP技術(shù)被廣泛應(yīng)用于個人影院、商業(yè)演示，甚至軍事指揮與航空航天領(lǐng)域[1]。在今年的美國消費電子展(Consumer Electronics Show)上，各大公司推出的DLP微投影儀大放異彩，而TI公司推出的第四代DMD芯片將使DLP投影質(zhì)量進(jìn)一步提高，發(fā)展前景十分可觀。
當(dāng)前DLP微投影儀的發(fā)展方向主要有提高照明系統(tǒng)性能和進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸兩方面。針對這兩個問題，本設(shè)計采用雙排復(fù)眼透鏡陣列提高光能利用率和光斑均勻度，并采用攝遠(yuǎn)透鏡組作為中繼系統(tǒng)縮短系統(tǒng)尺寸，滿足DMD芯片的照明需求。
1 單片式DLP照明光路的設(shè)計要求
DLP微投影顯示系統(tǒng)主要由光源、照明光路、DMD(Digital Micromirror Devices)芯片和投影透鏡組成。根據(jù)系統(tǒng)使用的DMD芯片個數(shù)，可以將DLP分為單片式、兩片式和三片式投影系統(tǒng)。與后兩種投影方式相比，單片式成本低，照明光路結(jié)構(gòu)簡單，非常適合應(yīng)用于便攜設(shè)備中。照明系統(tǒng)是微投影機的關(guān)鍵，決定投影系統(tǒng)的亮度、色飽和度和均勻性等重要指標(biāo)[2]。單片式DLP照明光路的設(shè)計要求主要有以下幾點：
1) 能實現(xiàn)光能的均勻分布。一般的光源和透鏡符合高斯強度分布，采用普通照明系統(tǒng)將導(dǎo)致投影圖像中間明亮而邊緣較暗。因此所設(shè)計的照明光路需能實現(xiàn)光能的重新分布，盡可能均勻地照亮DMD芯片。
2) 具有較高的光能利用率。光能利用率直接影響投影圖像的亮度，具有較高光能利用率的照明光路系統(tǒng)能在給定光源的情況下，提供更明亮的照明光斑。
3) 結(jié)構(gòu)緊湊。便攜性設(shè)備要求系統(tǒng)體積越小越好，用較小尺寸的系統(tǒng)實現(xiàn)較高的照明效果。
2 照明光路結(jié)構(gòu)
本設(shè)計基于LED光源進(jìn)行DLP的照明光路設(shè)計。作為一種新興光源，LED具有壽命長、亮度高、色域廣等特點[3]。用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弧光燈作光源，體積小巧，方便攜帶[4]。設(shè)計的單片式DLP照明光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用二向色分光鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的X棱鏡，實現(xiàn)RGB三基色合光，降低成本和系統(tǒng)重量。采用雙排透射型復(fù)眼透鏡，將入射的圓形光斑轉(zhuǎn)化為與DMD芯片耦合的方形光斑，提高光能利用率并實現(xiàn)均勻照明。與傳統(tǒng)設(shè)計中的光棒相比，復(fù)眼透鏡的光程較短，能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。使用攝遠(yuǎn)系統(tǒng)作為中繼系統(tǒng)，并用反射鏡轉(zhuǎn)折光路，進(jìn)一步縮短系統(tǒng)尺寸。
復(fù)眼透鏡的口徑和焦距分別由光源和系統(tǒng)尺寸確定[5]，以往采用復(fù)眼透鏡的光路設(shè)計中，普遍使用一個正透鏡來會聚光線，稱為會聚透鏡。在復(fù)眼透鏡的口徑與焦距一定的情況下，子透鏡列數(shù)越多，照明光斑越均勻，但會使光斑的面積減小。一般的方法是增大會聚透鏡的焦距來保證照明光斑的面積，這將導(dǎo)致光路結(jié)構(gòu)的尺寸增大，系統(tǒng)的緊湊性降低[6]。本設(shè)計采用正透鏡和負(fù)透鏡組而成的攝遠(yuǎn)(telephoto)系統(tǒng)來會聚光線，能夠在保證焦距不變的情況下，減小光路尺寸。圖2是本設(shè)計基于0.3英寸DMD芯片的照明光路仿真模型，圖3是采用會聚透鏡時，為達(dá)到相同大小的照明光斑所需光路的仿真模型。
對比圖2和圖3可以看出，在相同焦距下，本設(shè)計的光路結(jié)構(gòu)相比只采用會聚透鏡的光路結(jié)構(gòu)，尺寸縮短了約50%，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。
3 理想點光源的ZEMAX仿真結(jié)果
將LED簡化為理想點光源建立仿真模型，用ZEMAX追跡50萬條光線，得到如圖4所示的光斑圖形。
圖4中(a)是光源發(fā)出的未經(jīng)過復(fù)眼透鏡的光斑，光斑呈圓形，中間明亮而邊緣較暗；(b)為經(jīng)過照明光路后在DMD芯片處的得到的光斑，光斑呈方形，長寬比與DMD芯片相一致，為4:3，整個光斑內(nèi)光能分布均勻。圖5(a)、(b)兩圖分別對應(yīng)圖4中兩個照明光斑X方向上的照度分布，可以明顯看出照明光路對光源光線的整形和勻光作用。表1列出了圖4中兩個照明光斑的參數(shù)。
分析表1中的數(shù)據(jù)可知，通過照明系統(tǒng)前后，光斑上的峰值照度減小到了原來的42.9%，系統(tǒng)的總光能利用率約為33.4%。
4 擴(kuò)展光源的ZEMAX仿真結(jié)果
為更接近實際情況，將仿真模型中的理想點光源更改為1 mm×1 mm的面光源，仿真結(jié)果如下。 圖6給出了光源為擴(kuò)展光源時通過照明系統(tǒng)前后的光斑圖形。圖7(a)、(b)分別對應(yīng)了圖6中兩個照明光斑在X方向上的照度分布。從圖6和圖7可以看出，當(dāng)光源是擴(kuò)展光源時，設(shè)計的照明系統(tǒng)仍然能獲得較均勻的方形光斑。
表2給出了圖6中兩個照明光斑的具體參數(shù)。與理想點光源相較，擴(kuò)展光源初始的光斑面積更大，峰值照度較小，通過照明系統(tǒng)后，峰值照度減小到原來的58.8%。系統(tǒng)的總光能利用率約為33.3%，略低于光源模型為理想點光源時的光能利用率。
5 結(jié) 論
本文綜合考慮了照明效果和系統(tǒng)尺寸兩方面的因素，分析并設(shè)計了基于LED光源的單片式DLP微投影儀的照明光路，當(dāng)DMD芯片為0.3 inch時，本文設(shè)計的中繼系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)計相比，尺寸縮短了50%左右。通過調(diào)節(jié)復(fù)眼透鏡和中繼系統(tǒng)的焦距改變照明光斑的尺寸，此種設(shè)計可以應(yīng)用于不同型號的DMD芯片，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。分別用理想點光源和擴(kuò)展面光源對設(shè)計進(jìn)行了軟件仿真和分析，均能實現(xiàn)光斑形狀的轉(zhuǎn)變和能量均勻分布。