基于LED光源的单片式DLP照明系统设计(精)

1、第 38 卷第 9 期 2011 年 9 月 光电工程 Opto-Electronic Engineering Vol.38, No.9Sept, 2011 文章编号：1003-501X(201109-0099-05 基于 LED 光源的单片式 DLP 照明系统设计刘旖，林祖伦，祁康成，王小菊，芮大为，沈 匿(电子科技大学光电信息学院，成都610054摘要：在较小体积的照明系统中实现较好的照明效果是近年来微投影仪的主要发展方向。本文在对DLP (Digital Light Processing微投影显示系统进行分析的基础上，提出了一种紧凑的基于LED光源的单片式DLP照明光路结构。当照明光斑尺

2、寸满足 0.3英寸的DMD(Digital Micromirror Devices芯片时,中继系统的长度缩短至原来的 50%左右。并利用ZEMAX软件分别对基于理想点光源和扩展面光源的照明系统进行了建模仿真。追迹50万条光线的仿真结果表明，本设计在两种光源模型下都可得到均匀的照明光斑，系统的光能利用率在33%左右。关键词：DLP ;微投影显示；照明均匀度；复眼透镜；中继系统中图分类号：TN27 文献标志码：A doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2011.09.019 TheIllu min ati on System Desig n of One Chip DLP O

3、p tical Engine Based on LED LightSource LIU Yi，LIN Zu-lun，QI Kang-cheng, WANG Xiao-ju，RUI Da-wei，SHENNi ( School of Op toelectro nic In formati on, Un iversity of Electro nic Science andTech no logy of China, Chen gdu 610054, China Abstract: Achiev ing good illu min ati on p erforma nee in a compact

4、 illu min ati on system is the mai n devel opment direct ion of micro-p rojector. A compact illumi natio n system of one chi p Digital Light Processor (DLP p rojector mak ing use of LED light source is in troduced based on the an alysis of theDLP micro-p roject ion dis play system. The len gth of th

5、e relay system is shorte ned to about 50 p erce nt while the light spot is big eno ugh for illu min at ing the 0.3 inch DigitalMicromirror Devices (DMD. Mea nwhile, two models of illumi natio n system res pectively based on an ideal point source and an exte nded surface source are simulated by ZEMAX

6、 software. The 500,000 threads traci ng simulati on results show that, our desig n can achieve uniform light spot in a relative small system size. The utility rate of luminous en ergy of this illumi natio n system is about 33 p erce nt. Key words: DLP; microp rojectio n dis pl ay; illumi natio n un

7、iformity; fly-eye lens; relay system 0 弓丨言LCD(Liquid Crystal Dis play、LCoS(Liguid Crystal on Silico n 与 DLP 是目前三大主流投影显示技术，与 前两种投影显示技术相比，DLP具有以下明显的优势：体积小 重量轻，便于携带；光能利用率高，功耗低；采用全数字控制，具有精确的彩色再现能力；投影亮度和对比度高；电磁辐射低，可防止信息泄露；对恶 劣环境忍 耐度高。随着近年来微投影机市场的迅速增长，DLP技术被广泛应用于个人影 院、商业演示，甚至军事指挥与 航空航天领域1。在今年的美国消费电子展（Cons

8、umer Electronics Show上，各大公司推出的 DLP微投影仪 大放异彩，而TI 公司推出的第四代DMD芯片将使DLP投影质量进一步提高，发展前景十分可观。收稿日期：2011-04-11;收到修改稿日期：2011-05-17基金项目：富通翱翔基E-mail: aliceliu61。金资助项目（FTAX201006作者简介：刘旖（1987-，女（汉族，重庆人。硕士研究 生，主要研究工作是光学设计。性能和进一步减小系统尺寸两方面。100光电工程2011年9月当前DLP微投影仪的发展方向主要有提高照明系统阵列提高光能利用率和光斑均匀度, 寸，满足DMD芯片的照明需求。显示系统主要由光源

9、、 照明光路、1单片式DLP照明光路的设计要求DLP微投影针对这两个问题，本设计采用双排复眼透镜 并采用摄远透镜组作为中继系统缩短系统尺DMD（Digital Micromirror Devices 芯片和投影透 镜组成。根据系统使用的DMD芯片个数，可以将DLP分为单片式、两片式和三 片式投影系统。与后两种投影方式 相比，单片式成本低，照明光路结构简单，非 常适合应用于便携设备中。照明系统是微投影机的关键，决定投影系统的亮度、色饱和度和均匀性等重要指标2。单片式DLP照明光路的设计要求主要有以下几 点：1能实现光能的均匀分布。一般的光源和透镜符合高斯强度分布，采用普通照 明系统将导致投影图像

10、 中间明亮而边缘较暗。因此所设计的照明光路需能实现光 能的重新分布，尽可能均匀地照亮 DMD芯片。2具有较高的光能利用率。光能利 用率直接影响投影图像的亮度，具有较高光能利用率的照明光路系统能在给定光源的情况下，提供更明亮的照明光斑。3结构紧凑。便携性设备要求系统体积越小越好，用较小尺寸的系统实现较高的照明效果。2照明光路结构 本设计基于LED光源进行DLP的照明光路设计。作为一种新兴光源，LED具有寿命长、亮度高、 色域广等特点3。用LED代替传统的弧光灯作光源，体积小巧，方便携带 4。 设计的单片式DLP照明光路结 构如图1所示。采用二向色分光镜代替传统的 X棱 镜，实现RGB三基色合光，

11、降低成本和系统重量。采 用双排透射型复眼透镜，将 入射的圆形光斑转化为与 DMD芯片耦合的方形光斑，提高光能利用率并实现 均 匀照明。与传统设计中的光棒相比，复眼透镜的光程较短，能使系统结构更为紧 凑。使用摄远系统作为 中继系统，并用反射镜转折光路，进一步缩短系统尺寸。LED-B Mirror Light absorber LED-G Dichroic mirror P rojectio n lens LED-RCollimating lens Dichroic mirror Fly-eye lens Relay system Mirror DMD 图 1 单片式 DLP 照明光路结构 Fig

12、.1 Illumination system of one chip DLP projector system复眼透 镜的口径和焦距分别由光源和系统尺寸确定5，以往采用复眼透镜的光路设计 中，普遍使用一个正透镜来会聚光线，称为会聚透镜。在复眼透镜的口径与焦距 一定的情况下，子透镜列数越多，照明光斑越均匀，但会使光斑的面积减小。一般的方法是增大会聚透镜的焦距来保证照明光斑的面积，这将导致光路结构的尺寸增大，系统的紧凑性降低6。本设计采用正透镜和负透镜组而成的摄远(telephoto系统来会 聚光线，能够在保证焦距不变的情况下，减小光路尺寸。图2是本设计基于0.3英寸DMD芯片的照明光 路仿真模型

13、，图3是采用会聚透镜时， 为达到相同大小的照明光斑所需光路的仿真模型。对比图2和图3可以看出，在相同焦距下，本设计的光路结构相比只采用会聚透镜的光路结构，尺寸缩短了约50%,系统结构更加紧凑。第38卷第9期刘旖等：基于LED光源的单片式DLP照明系统设计101 Flyeye lens Collimator Relay system P rojecti on lens Mirror Source Source DMD 20.59 mm Fly-eye lens Collimator DMD Collimating lens 40.08 mm 图 2 设计实例的 ZEMAX 仿 真模型 Fig.2

14、 Illumi nati on system desig n simulated by ZEMAX 图 3 采用会聚透镜结构 的 ZEMAX 仿真模型 Fig.3 Illumination system with convex lens design simulated byZEMAX 3理想点光源的ZEMAX仿真结果将LED简化为理想点光源建立仿真模 型，ZEMAX追迹50万条光线，用得到如图4所示的光斑图形。962.932 4 866.639 2 770.345 9 674.052 7 577.759 4 481.466 2 385.173 0 288.879 7 192.586 5 96

15、.293 2 0.000 0 (a 413.193 5 371.874 1 330.554 8 289.235 4 274.916 1 206.596 7 165.277 4 123.958 0 82.638 7 41.319 3 0.000 0 (b lncm-2 图 4 Fig：4 (a 复眼透镜前的 照明光斑；(b DMD 芯片处的照明光斑(a Light spot before fly-eye lens array; (b Light spot at the position of DMD chip图4中(a是光源发出的未经过复眼透镜的光斑，光斑呈圆形，中间明亮而边缘较暗；(b为经过照

16、明光 路后在DMD芯片处的得到的 光斑，光斑呈方形，长宽比与 DMD芯片相一致，为4:3,整个光斑内光能分 布均匀。图5(a、(b两图分别对应图4中两个照明光斑X方向上的照度分布，可以明显 看出照明光路对光 源光线的整形和匀光作用。表1列出了图4中两个照明光斑的 参数。443.266 2 145.353 2 In cohere nt illumi nan ce/ lmcm-2 In cohere nt illumi nan ce/Im cm-2 5.000 0 221.670 7 0.075 1 -5.000 0 lmcm-2 72.676 6 0.000 0 -5.000 0 0.000 0

17、X cooroinate value/cm (a 0.000 0 X cooroinate value/cm (b 5.000 08 5 (a 复眼透镜前 照明光斑的照度分布；(b DMD芯片处照明光斑的照度分布 Fig.5 (a Illumi natio n distributi on of light spot before fly-eye lens array; (b Illu min ati on distributi on of light sp ot of DMD chip分析表1中的数据可知，通过照明系统前后，光斑上的峰值照度 减小到了原来的42.9%,系统的总光能利用率约为33

18、.4%。102光电工程2011年9月 表1照明光斑的参数比较 Table 1 Parameters of two light spots Light spot before fly-eye lens array Detector size /mm P ixels Total hits P eak illuminance /lm cm-2 Total power /lm 10 10 5®0 500 493 758 9.629 3 10 Light spot at the position of DMD chip 10 10 500X500 490 639 4.131 9 102<

19、3.011 5 1(09.0137X10 4扩展光源的ZEMAX仿真结果 为更接近实际情况，将仿真模型中的理想点 光源更改为1 mmX1 mm的面光源，仿真结果如下。图6给出了光源为扩展光源时通过照明系统前后的光斑图形。图 7(a、(b分别对应了图6中两个照明 光斑在X 方向上的照度分布。从图6和图7可以看出，当光源是扩展光源时，设计的照明系 统仍然能获得 较均匀的方形光斑。 687.463 6 618.717 2 549.970 9 481.224 5 412.478 1 343.731 8 274.985 4 206.239 1 137.492 7 68.746 4 0.000 0 (a

20、(b 484.441 0 363.996 9 323.552 8 283.108 7 242.664 6 202.220 5 161.776 4 121.332 3 50.888 2 40.444 1 0.000 0 lm cm-2 图 6 (a 复眼透镜前的照明光斑 Fig.6 (a Light spot before fly-eye lens array using extended light source lmcm-2 (b DMD 芯片处的照明光斑(b Light spot of DMD ch ip using exte nded light source In cohere nt

21、illumi nan ce/ lmcm-2 129.198 1 Incohere nt illuminance/ lm cm-2 5.000 0 252.028 5 133.185 1 66.592 6 6.367 7 -5.000 0 0.000 0 X cooroi nate value/cm (a 0.000 0 -5.000 0 0.000 0 X cooroi nate value/cm (b 5.000 图 7 (a复眼透镜前照明光斑的照度分布 (b DMD芯片处照明光斑的照度分布 Fig.7 (a lllu min ati on distributi on of light sp

22、ot using exte nded light source before fly-eye lensarray (b lllu min ati on distributio n of light spot using exte nded light source at the p ositi on of DMD chip表2给出了图6中两个照明光斑的具体参数。与理想点光源相较，扩 展光源初始的光斑面积更大，峰值照度较小，通过照明系统后，峰值照度减小到原来的58.8%。系统的总光能利用率约为33.3%,略低于 光源模型为理想点光源时 的光能利用率。第38卷第9期刘表2旖等：基于LED光源的单片

23、式DLP照明系统设计 使用扩展光源时的照明光斑参数比较 103 Table 2 Parameters of two light spots us ing exte nded source Light spot before fly-eye lens array Detector size /mm P ixels Total hitsPeak illuminance /lm cm-2-Total power /lm 10 10 500 500 456 905 6.874 6 1020.3322>10 Light spot at the position of DMD chip 10 10

24、500 50g52 552 4.044 4 1022.772 6X0 5结论本文综合考虑了照明效果和系统尺寸两方面的因素，分析并设计了基 于LED光源的单片式DLP微投影仪的照明光路，当DMD芯片为0.3 inch时，本 文设计的中继系统与传统设计相比，尺寸缩短了50%左右。通过调节复眼透镜和中继系统的焦距改变照明光斑的尺寸，此种设计可以应用于不同型号的DMD芯片，使系统结构更加紧凑。分别用理想点光源和扩展面光源对设计进行了软件仿真 和分析，均能实现光斑 形状的转变和能量均匀分布。参考文献：1 2田文超，贾建援.DMD及DLP显示技术J.仪器仪表学报，2005, 26(8: 358-359, 391.高 慧芳，刘钦晓，刘鹏，等.单片式微型滤色膜LCoS的照明系统设计J.光电工 程，2011, 38(3: 100-104. GAO Hui-fang, LIU Qin-xiao , LIU Peng, et al.Illumi nat ing System for Sin gle Color Filter LCoS Panel Micro-Projector J. Opto-Electronic Engineering, 2011, 38(3: 100-104. 3 YU Xing-jie , Y L , HO TANL, al. LED-Based P