一种应用于LCoS光机的复眼照明系统仿真设计

    1 引 言

    背投技术中LCoS具有1080P的高解析度,是高清、高亮背投光机的理想之选,同时这种高端背投显示对照明系统也提出了很高的要求,目前国内有人利用传统的光棒照明方案实现LCoS光机,但是偏振处理比较困难,均匀性不够好,且亮度难以大幅提高[1-4]。而复眼照明系统用于投影显示可实现高亮度和较好的亮度均匀性,并且有较成熟的偏振处理方法[5-6],克服了光棒照明系统的缺点。但复眼照明系统中的关键件若少量生产则代价昂贵,要搭建实际的光学平台进行光路设计比较困难,若能事先对复眼系统进行仿真设计,再实物建模验证,则既能节约成本,而且大大简化了设计过程和设计难度。

    本文结合复眼照明系统原理,设计了一种用于投影光机的复眼照明系统,并用Matlab对该系统进行了光线追迹的仿真。仿真结果表明仿真程序能有效地对复眼照明系统进行光线追迹,大大降低了实际应用中复眼照明系统的设计难度。

    2 复眼原理

    复眼照明原理如图1所示。图中,f为灯杯焦距,d为灯弧长度,5为灯杯口径,fcA为复眼焦距,fcB为聚光镜焦距。

    第一组复眼通常叫过集光镜组,它的作用就是尽可能地收集从光源发出的光。第二组复眼和第一组复眼的参数一样,它在这里起场镜的作用。第二组复眼决定了进入系统的光通量,所以它也被称作是照明系统的光阑。第一组复眼和第二组复眼一一对应,每一组小复眼都是柯勒照明系统。从而整个复眼形成的是柯勒照明系统。紧接着第二组复眼的透镜是聚光镜,它将使从复眼出来的光投射到芯片上。复眼照明具有较高的亮度均匀性,它把不够均匀的入射光斑进行微分然后再积分,这样就获得了均匀的照明光斑。另一作用就是光斑整形,每个小复眼单元的形状都和光调制器件的尺寸成比例,这样复眼就把圆形光斑整形为和调制器件形状一样的方形光斑[7-8]。

    在复眼系统中,由图1知:

    其中,A为复眼单元透镜的尺寸, fcA为复眼的焦距,W为光调制器的相应尺寸,fcB为聚光镜的焦距,5为复眼的全口径。

    3 复眼设计

    复眼设计步骤如下:

    1)确定复眼的全口径。在确定复眼的全口径与所用灯的尺寸时,尽可能地使灯所发出的光被复眼收集。2)确定小复眼的个数和尺寸。确定了复眼的全口径后,就要确定小复眼的个数,选择合适的复眼个数,一般来说小复眼的个数大于60比较有效,一开始个数增加均匀性会增加,但是当复眼个数增加到一定程度后均匀性并不会显著增加,并且加工难度也会相对加大,所以应该综合考虑选择合适的复眼个数,确定全口径和单元个数。3)由式(2)确定fcB,式(2)的F#和投影物镜的F#相匹配。4)这样式(1)中4个参数确定了3个,那么第4个参数,也即复眼的焦距也被最终确定。5)聚光镜组的确定。聚光镜组一般由两到三个透镜组成。根据机械位置的要求先确定各透镜之间的间隔,然后由高斯公式确定各透镜的焦距,利用光学设计软件Oslo或者Zemax等对光路进行优化。