双灯投影机方棒照明系统的设计

    在投影显示系统中，经常用到方棒照明系统．方棒照明系统的最大优点是结构简单，可以在显示芯片上获得很好的照明均匀性，因此广泛应用于各种投影示系统中［１］．为了提高数字光处理器（ｄｉｇｉｔａｌ，ＤＬＰ）投影系统的亮度，通常采用双灯照明的方法双灯照明系统还可以避免投影机在使用过程中出现灯泡故障而无法工作的情况．双灯投影机方棒照明系统包括光源、合光组件、方棒、汇聚透镜等．国内外对双灯投影机方棒照明系统的双灯合成方法作了大量的研究，如黄俊杰［２］提出了一种双灯光源模型组，该模型组包括２片反射镜，２块棱镜，２片反射镜将２个灯发出的光线分别反射到２块棱镜上，棱镜利用全反射原理将光线汇聚到方棒入射端面．［３］提出ＤＬＰ双灯投影系统的光源合成方式，它通过反射棱镜把双灯光斑汇集到较小的区域内，然后通过透镜把双灯的２个光斑成像到方棒的入射端面．但目前对双灯照明的设计方法及效率分析报道较少．在采用方棒的双灯照明系统中，方棒及照明组件的参数选择直接影响了双灯照明的光能利用率型的基础上，对方棒尺寸及后继照明组件的参数进行了优化设计，得到了光能传递效率最大化的设计参数．在此基础上，实际设计和制作了双灯ＤＬＰ照明系统，得到了较好的测量结果．

    １　设计原理

    双灯照明系统光路原理图如图１所示．

    图中光源的２个光斑成像到方棒的入射端面，方棒利用反射原理将光线在方棒内多次反射到达出射端面，将圆形光斑转化为空间光调制器所需要的照明均匀的矩形光斑．通过中继镜形成与空间光调制器数字式微镜器件（ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｉｃｒｏ　ｍｉｒｒｏｒ　ｄｅｖｉｃｅ，ＤＭＤ）尺寸匹配的照明均匀的光斑并成像到ＤＭＤ上．

    根据非成像光学原理，系统对照明光源的能量利用率取决于系统的光学扩展量（ｅｔｅｎｄｕｅ）［４］．光学扩展量涉及２个因子，一是光束面积，另一个是光束的发散角．在双灯照明中，光束的面积取决于方棒的尺寸，而光束的发散角取决于灯源的发散角．对于理想光学系统，其光学扩展量是守恒的．因此双灯照明的光源光学扩展量应该为其中一个光源的２倍．图中笔者采用保持光束的发散角不变，而光斑面积增大１倍的方法来合成２个灯源的照明光束．图中灯１和灯２的主光线应相平行，且垂直方棒端面，而照明光斑在方棒入射端面上相互分离．图１中先不考虑２个灯源的尺寸大小及相互之间的位置干涉问题．