LCOS微型投影系统的LED照明设计

　　0　引　言

　　目前在投影系统中所用的光源多为UHP(Ul-tra High Performance)灯,即短弧超高压汞灯。UHP灯产生冷光,光效高,在相同的功耗下产生的光通量很大,光学扩展量(Etendue)效率即每单位光学扩展量的流明数也很高。它的发光弧很短,因此光学扩展量较小,适用于微型投影显示。然而使用UHP灯存在许多问题[1],系统中必须使用的分光与合系统、UV(Ultraviolet)和IR(Infra-red)滤色片会产生损耗降低最终的能量输出;它的寿命很短,限制了投影仪的使用时间;UHP灯的驱动电压太高,光源产生的热量大,散热问题成了光源设计的难点。这些都限制了微型投影仪的发展。

　　LED光源由于其寿命长、发热低、功耗小、体积小等优点在很多领域都得到广泛地应用,作为投影显示的光源,LED所发的光谱中由于没有紫外和红外光谱,可以减少为消除这些光谱所附加的光学元件给系统造成的能量损失也可以简化系统;LED可以快速切换,同时它的亮暗比比较高,可以提高系统的对比度。随着大功率LED的开发,越来越多的投影显示开始使用LED作为光源。但现在的LED的强度仍然太低,只有通过设计合理的照明系统结构,有效提高光能利用率,使其满足投影显示的要求。

　　1　投影系统对照明系统的要求

　　用LED作为投影仪光源的研究,在近几年有了很大的进展。由于LED光源与传统光源存在很大的差别,人们对使用LED作为光源的投影仪提出了新的要求。结合投影仪的设计指标和LED的特点,在设计照明系统时要有以下几个方面的要求:

　　a)对光通量的要求

　　投射到液晶光阀上(或者投影屏幕上)的光通量,是投影机的一个重要指标,而现在单个LED的功率不可能做得很大,发光效能也只有数十流明每瓦,因此在实际使用中要将许多LED排成一个阵列,以满足投影仪对输出光通量的要求。光源的光学扩展量可以表示为

　　其中NA为光源发光光束的数值孔径,为光源的发光有效面积。增加LED的排列在增加光通量的同时,也增加了光源的发光有效面积,即增加光源的光学扩展量。投影系统的光学扩展量已经由投影镜头的数值孔径和LCOS的面积决定,而光源的光学扩展量是不能超过投影系统光学扩展量的。所以在设计时一味的靠增加LED排列的数目是无法提高整个照明系统的光通量的。要根据投影机系统的光学扩展量、单个LED的面积、LED的发光角度、光通量等合理选择LED。

　　b)对均匀度的要求

　　对于照明系统的设计主要是针对光能传递的控制,它属于非成像光学的范畴,它要解决的是在辐射传递的过程中如何使传递能量最大化并且得到需要的照度分布。由于照明系统的均匀度直接反映在投影屏幕上,所以对投影照明的均匀性提出了很高的要求,通常要求照明系统的均匀度高于投影机的均匀度。以LED阵列作为光源,其在均匀度方面比点光源有很大的优势,系统更易实现均匀照明。