微型投影机自由曲面LED聚光器的设计

　　1　引　言

　　LED具有体积小、功耗低、寿命长以及价格低廉等优点,作为新型固体光源,特别是微型投影机的新型光源近年来受到世人的广泛关注[1-6]。然而相比传统的弧光灯投影光源,LED的亮度低,光束发散角大,对微型投影机光学引擎的效率和结构紧凑性具有更高要求。现有LED微型投影照明系统的公开报道中[7-8],采用LED光源阵列的设计方案尽管提高了系统出射光通量,但造成光学系统体积大且结构复杂;而采用单颗RG-BLED的设计中,大多设计使用了复合抛物面反光杯或锥形光管等器件来减小LED光源的光束发散角,在有限提高单颗LED光能收集率的同时,器件尺寸并未有效减小。最新的研究表明,自由曲面LED聚光器应用于微型投影LED照明系统中,能有效解决照明系统紧凑高效的问题,具有很大的发展前景,但聚光器的设计还有很多改进和提高的余地。如Pan等人的设计中[9],器件在25°出射光束发散角内的效率为95%,尺寸可达18 mm×18 mm×10 mm,但器件出射光束发散角过大以及匀光系统中蝇眼透镜的使用,降低了系统整体的光能效率,且理论上其器件尺寸还有进一步减小的可能。而甄艳坤等人设计的聚光器则因所使用设计理论和方法的局限性导致器件效率较低[10]。由此可见,使用合适的设计理论和方法,同时实现较小的光束发散角,较高的效率和紧凑的结构形式,将是自由曲面LED聚光器应用于微型投影系统中所要解决的关键问题。

　　本文在已有LED微型投影系统设计的工作基础上,使用非成像理论和同时多表面(SMS-Simultaneous Multi-surfaces)设计方法,进行了自由曲面LED聚光器的设计和光学仿真应用,在保证较小光束发散角的前提下,有效地提高了照明系统的效率,同时进一步减小了器件和系统的体积。

　　2　自由曲面LED聚光器结构和工作原理

　　图1所示为文献[11]中报道的LED微型投影系统光学引擎,其光学系统由R,G,B三个单色LED光源模块、X立方棱镜、会聚系统、积分方棒、中继系统、全内反射(Total Internal Reflec-tion,TIR)棱镜和投影物镜组成。其中三基色LED光由X立方棱镜合色后,经由会聚系统进入积分方棒进行匀光,中继系统则把积分方棒匀光后的出射端面成像至光调制器上进行调制,最终由TIR棱镜和投影物镜投射至屏幕上。此光学引擎采用数字光处理微显示芯片(Digital LightProcessing,DLP),利用基色光的时序控制来实现彩色图像的显示,其中会聚系统设计的入射角为±6°,入射孔径约为20 mm。LED光源模块由LED和聚光器组成。此投影系统中采用了Lu-mileds公司的Luxeon III Emitter系列作为光源,同时选择了IMS公司的SO20XA型Luxeon系列LED专用聚光器对LED发出的光束进行收集和会聚,聚光器属于纯反射型,高18.4 mm,出射口径为20 mm,它可使2π立体角内的LED出射光束初步会聚后,再经由会聚系统耦合进入积分方棒,聚光器出射发散角12°内的光束能量仅占总能量的52%。文献[11]的分析结果表明,较低的光能收集效率导致了微型投影系统的理论最大光输出效率仅为16%,而18.4 mm的聚光器高度也不利于微型投影系统外形尺寸的减小。因此,高效率且结构紧凑的自由曲面LED聚光器的应用会较好地提高系统的光学性能。