一种基于RGB三基色LED的白光光源

    1 引 言

    数字光源处理(Digital Light Processing,DLP)投影技术是基于TI(Texas Instruments)开发的反射式显示芯片DMD(Digital Micro-mirror Device)的一种全数字投影技术。

    在DLP投影系统中,通常要使用超高压汞灯作为照明光源。从该光源出射的白光通过高速旋转的RGB色轮实现时间分色,所产生的红、绿、蓝三色光会按一定顺序交替地照射到DMD表面上,为DMD提供照明。现在普遍使用的超高压汞灯光谱为连续谱,当光线通过滤色轮时,会有较多的能量损失。

    近年来,随着LED(Light Emitting Diode)技术的发展,LED已被应用到了投影显示中[1~2]。目前,以LED为照明光源的DLP微型投影机[3]由于其体积小、重量轻、寿命长的优点得到了各大厂商的青睐,并研制出了掌上型的LED光源袖珍投影机。这些投影机由于受LED光源亮度等因素的影响,普遍存在亮度较低的问题,一般输出的光通量只有200~400 lm。

    DLP投影显示系统的照明系统一般都采用光学积分棒来实现光束整形和照明均匀化。在照明系统工作时需要将作为光源的灯发出的光线会聚到光学积分棒中去。

    由于单个LED单元的功率限制和LED自身的发光特点,如何将多个LED的光能高效地汇聚到光棒一直是一个技术难点。为了实现这一目标,并提高显示亮度和光能利用效率,本文设计了可以将发出的光能会聚到光学积分棒上的多个LED彩色光源。通过控制该光源RGB三色LED的工作时序可以替代DLP投影机中的色轮,可简化系统的结构。

    2 白光光源的设计

    2.1 基本原理

    LED的发光特性可以近似为朗伯体,LED的发光角度可以近似为?90b。如果采用类似于透镜的普通学折射元件对LED发出的光线进行会聚,则不能对LED发出的大角度光束起到会聚作用。如果采用曲面反射镜的方法对LED发出的光线进行会聚,则从LED发出的小角度光线不能得到很好地会聚。因此无论是折射元件还是投射元件都不能很好地对从LED发出的光线进行会聚。为此本文采用了如图1所示的LED聚光器,实现了光能采集的功能。聚光器的外表面为椭球面,与LED正对的曲面为球面,出射面为平面。该聚光系统结合了折射元件和反射元件的优点,对从LED出射的大角度光线来说,利用聚光器的椭球面反射将其会聚到椭球LED正对的曲面折射将其会聚到椭球面的焦点。这样的一个聚光器可以高效地把单个LED发出的光线会聚到一点。

    对多个LED来说,可以把多个椭球反射体的结构按图2所示的方式合并在一起,并使各个椭球体有公共的焦点,在另外三个焦点上分别安装上红、绿、蓝三色LED光源,那图2 多个LED聚光器么由这三个光源发出的三色光线全部汇聚到重合的焦点上,这样就能够实现混光的效果。