单片式LCOS微型投影仪照明系统设计

　　引 言

　　随着近年来投影显示迅速发展，投影机的应用范围不断扩大，已经开始从教育等专业市场逐步向家庭，娱乐等新兴市场转移，为了适应市场发展的需要，开发低成本、性能适中、工艺简单的小型投影仪已成为必然趋势。

　　对于投影仪的评价目前主要从三个方面进行：1) 屏幕上的亮度：单纯依靠改变光源自身功率来提高屏幕亮度的方法是不理想的，目前主要采用提高光源效率、减少光学组件能量损耗和加装微透镜等技术手段来提高亮度。2) 屏幕上照明均匀性：在投影仪的照明系统设计中通常采用两种器件来实现照明均匀化目的，一是采用成像元件—透镜阵列[1]，另一种是非成像元件—积分光管[1]，比较这两种器件实现照明均匀化的原理，透镜阵列的加工和设计过程过于复杂并且成本高，而积分光管是通过使光线进入其内部后经多次反射后，实现在光管的末端形成均匀的照明的目的，具有结构简单紧凑、造价低廉，高效率等特点，所以在本文的微型投影仪的照明系统设计中，采用积分光管来实现照明均匀化目的。3) 由投影仪投影镜头确定的像质评价。本文着重讨论的是投影仪照明系统设计，主要从前两个因素来考虑完善投影仪照明系统的设计。

　　本文所设计的单片 LCOS(Liquid Crystal onSilicon)微型投影仪系统结构图如图1 所示，从整体结构上分为照明系统和投影系统两部分，是采用微型滤光膜的单片式 LCOS 结构，LCOS 技术是近几年出现的新型微型显示技术，具有高分辨力，高光利用效率，低功耗等独特优点，是一种目前在制造技术比较成熟和具有巨大发展潜力的显示技术。该投影仪系统基本原理为：光源产生的光线首先通过椭球反光碗和特殊CPC 回复反射器的收集，会聚在锥形光管的入口处，再通过光线在锥形光管内的多次反射来实现光线均匀化和光束校正的目的，以满足 LCOS 面板和投影镜头的要求;从锥形光管出射的光束在到达 LCOS 面板之前还需依次通过平面镜，2f 系统，PBS(Polarization Beam Splitter)，最后在 LCOS 面板上反射后的光线由投影镜头投射到屏幕上。此结构特点在于：结构较为简单，成本较低，在没有使用 PCS(PolarizationConverter System)[2]情况下，达到了一定的理想的光源利用率。

　　1 照明系统设计

　　1.1 UHP(Ultra High Performance) 光源

　　UHP 光源是一种理想的冷光源，是现在小型和通用投影仪光源的主流，其优点在于不仅能达到投影机所要求的光亮度、色温要求，而且发光频谱覆盖整个可见光全部范围，在使用相同功耗下，能产生大光量，寿命较长，亮度衰减很小，当衰竭时，即刻熄灭。在本照明系统设计中对光源建模时，采用一组嵌套的圆柱体光源[3]近似的模拟实际光源发光的空间位置分布。