LED照明的照度均勻性研究
孫英杰(黑龍江省教育學院)卜文斌(哈爾濱師范大學)
摘要單顆LED作為近朗伯體發光光能輸出較低,且發散角較大,難以直接利用.采用多個LED矩陣排列作為光源,增加了光源的有效發光面積和光通量.梯形混光筒內部各面鍍有高反射率的膜,使得進入混光筒內部的光線無吸收的被反射,最后充分混合輸出.調整梯形筒的長度可提高出射面上的光照度均勻性.利用TracePro軟件對設計系統進行模擬分析,結果表明出射面的照度均勻性大于90%,能量利用率大于65%,優于FF雙焦距光學系統,并且整個系統結構簡單緊湊,易于實現,成本不高.
關鍵詞:LED陣列;梯形混光筒;光能利用率;照度均勻性
0?引言
目前投影顯示系統中采用的光源大多為UHP(Ultrahighpressure,短弧超高壓)汞燈.UHP汞燈產生冷光,光效高,在相同的功耗下產生的光通量大,光學擴展量效率(即每單位光學擴展量的流明數)也很高.由于UHP汞燈發光弧很短,光學擴展量較小,適用于微型投影儀.不過,UHP汞燈存在一些不利于系統優化的缺點:(1)壽命較短,一般標稱值為6000h.(2)使用一段時間會產生明顯的亮度衰減.(3)光強的不均勻分布要求用復雜的光學系統來調整.(4)無法快速啟動[1].LED(Lightemittingdiode,發光二極管)燈是一種應用廣泛的光電器件,如手機鍵盤背光、各種指示燈、顯示屏等.與UHP相比LED的優勢在于:(1)LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,效率可達80%~90%.(2)發光色純度高.(3)能耗小、壽命長,光通量衰減到70%的標稱壽命為10萬h.(4)由于有環氧樹脂的封裝,防震性特別好,可靠耐用[2].當然,LED也存在著較大的劣勢,在實際的投影應用中,LED的光強度仍然很低,只有通過設計合理的照明系統,才能滿足投影顯示的要求.美國專利LED-IlluminationtypeDMDpro-jectorandOpticalSystemTheory?[3]中介紹了一種LED陣列作為光源的三片式的DLP(DigitalLightProcessor)投影顯示系統,系統采用LED陣列作為光源,減小了體積、重量,延長了壽命,通過點亮紅、綠、藍LED的占空比和合色棱鏡來合成所需要的顏色.
采用多個LED與高反射率梯形混光筒設計適合于DLP(Digitallightprocessing,數字光學處理)系統的光源,該系統在出射面獲得了很高的照度均勻性和能量利用率.該系統同樣適合于其他微顯示裝置.以下將詳細介紹設計方法與模擬結果.
1?梯形反射勻光系統
1.1?LED陣列
單個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,要考慮LED的尺寸、排列方式、功率、發光角度等問題.梯形筒勻光系統的光源?LED面板,采用9個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,同時可增加出射面中央大部分的亮度.
增加LED的排列同時也會增加光源的光學擴展量,所以不能一味的增加LED的排列,否則既浪費了光能量,又增加了光源的散熱難度.如果選擇發光角度小的LED就可以使整個面板的光學擴展量盡量的小.采用Lumiled公司生產的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有不同的效果,最終目的是在照明面上達到較高的光強度和照度均勻性.
1.2?梯形筒的設計
傳統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%;方棒長度較長,不利于投影儀的微型化設計;新型反光鏡法結構復雜,工藝難度大,無法做到實用.照明系統的設計主要是針對光能傳遞的控制,它屬于非成像光學的范疇,它要解決的是在輻射傳遞的過程中如何使傳遞能量最大化并且得到需要的照度分布[4].
梯型混光筒如圖2所示,類似于CPC(復合拋物聚光器)[5].在梯形筒底部放置LED面板光源,LED發出的光線被梯形筒四個內壁無吸收的反射并進行充分的混合.LED具有較大的發散角,光線不集中,梯形筒可以約束大角度的光線在筒內向底部反射,最終照射到梯形筒的底部出射面.圖3給出了梯形筒內的混光效果.可見,梯形混光筒能夠收集發散角較大的入射光線,且經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.改變梯形筒的長度就可以改變光線在筒內反射的次數,以調節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矩形的光能量均勻分布的光斑.應用于不同場合的照明系統,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,因此不需要進行光斑的轉換.
2?結果與分析
通過TracePro軟件光線追跡模擬,可以獲得出射面各點的照度數據值.根據各點的照度數據采用九點法計算出射面的照度均勻性.調制梯形筒的長度后,又可得到一個均勻性.最后利用Or-igin軟件畫出均勻性隨筒長度的變化曲線.從曲線圖中可以看到,圖中顯示有多個波峰,相鄰的峰值相差不是很大.考慮到系統最優化,經分析梯形筒長度在L=46.58mm時出射面的照度均勻性較好.取L=46.58mm重新建立模型,增加光線數量,效果會更接近實際的情況.采用90萬條光線在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,入射光線經過梯形筒充分混合后投射出來,并在整個出射面上得到照度均勻分布的光.
根據ANSI/NAMPIT7.228-1997,對于投影機的9點測試法而言,將照明面分成9個大小均等的矩形,照度計探測器位于每一個矩形的中心進行測量,將9個點的照度的平均值作為整個照明面的平均值.由于只取9個點,所得到的平均值只是一個近似的值.對于計算機模擬來說,對照度圖的分析要比實際投影屏幕上照明的分析簡單,所以照度圖中平均照度的計算我們取遍圖中所有點,因為圖像分辨率是128?128,即有128?128個點,計算的均勻性的結果更準確.經計算,設計的梯形筒混光系統勻光效果很好,出射面均勻性優于90%,能量利用率達到65%.LED發出的光線會有少部分反射到LED間隙的面板上,面板應用高反射率材料,反射到面板上的光線經面板再次反射而投向出射面方向,有少部分的光能損失.根據軟件模擬發現,還有約2.84%的光線沒有入射到出射面,這是因為有些角度的發射光線會在梯形筒內反復反射,實際應用中這些光線都會被吸收,從而降低了能量的利用率.
要盡可能利用LED的發出的光,可以使用一種橢球面反射器把每一個LED發散的光收集成平行光或小角度的發散光,很大程度上減小了光束角度,充分的利用了LED的光能[6].
3?結束語
投影顯示光學系統的設計主要任務是對光源光束的整型,同時滿足出射面的照度均勻性要求.梯形筒的設計使光線發散角減小,并均勻的照射到出射面.通過模擬,所設計的系統出射面照度均勻性優于90%,能量利用率達到65%,能夠滿足投影儀對光源的要求.隨著制造工藝和技術水平的不斷提高,單個LED發光功率會不斷地得到提高,發光效率會有很大的提升,進而使該方法設計的光源光能輸出更大而減少LED的個數,使結構小型化.