摘要 ：随着 LCOS技术的发展 ，投 影仪趋于微型化 ，而投 影系统的分辨力也不 断提高，
因此 对投 影仪 的光 源 系统 的要 求 就越 来 越 高 ，希 望得 到 高强度 以及 光 学 扩展 量 小 的光 束 。
采 用 两个 LED 面光 源作 为投 影仪 的 照 明光 源 ，使 用 包括 了与偏 振 光 转换 系统耦 合 的光棒
以及 照 明透 镜 的 FF光 学 系统 ，使 光 源 发 出的 光 得 到充 分 的均 匀 ，并尽 量 地会 聚在 LCOS
上 。模 拟 结果 表 明 ，该 照明 系统达 到 了所要 求 的照度 ，并且 整个 系统 结构 简单 ，非常 紧凑 。
关键词 ：LED光源；FF光学系统；光棒 ；偏振光转换 ；投影仪
1 引 言
投影仪系统中用到的光源大多为 UHP(ultrahighperformance)灯 ，短弧超高压汞灯 。UHP灯产生冷
光，光效很大 ，在相 同的功耗下产生很大的光通量 ，光学扩展量 (etendue)效率即每单位光学扩展量的流明
数也很高。由于它的发光弧很短 ，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Ⅱ，例如在一个三片式的投影仪系统 中，要用分光系统将 白光分为三种原色光 ，因此需要三片分色镜。
这在一定程度上会提高成本 以及增加系统的尺寸 。另外 UV(Ultraviolet)~ IR(Infra—red)滤色片也会增
加成本 。由于每个光学元件亦会产生一定的损耗 ，因此降低了最终光学输 出。将 白光分为 R，G，B三种光以后，每一个颜色的光谱还是较大 ，因此减少了系统色域 。UHP灯的另外一个缺点就是它的寿命很短 ，平
均寿命为 5oooh，限制了投影仪的使用时间。此外 UHP灯的驱动电压太高 ，冷却灯泡体积太大 ，价格较高 ，
使用汞蒸气以及有爆炸的危险等。这都给投影系统的微型化 以及便携化造成 了一定的阻碍 。
为了解决这些问题 ，越来越多的人开始关注 LED(1ight—emittingdiode)；Y~ ,。许多投影显示使用 LED
作 为光源。与传统的投影仪光源相 比，LED有许多优点。已经有红色 、绿色以及蓝色的 LED，所以不需要
从白光中提取基本色 。因此在 LED的投影系统中不需要分光镜和冷镜 。另外与 UHP灯相比，LED光源不
会发 出紫外和红外波段的光 ，系统中不需要 UV和 IR滤光片。这些都会使得系统的体积更小，成本更低 ，
损耗更小 。LED寿命很长 ，可以点燃 10万个小时 ，大大提高了投影仪的使用时间。LED的体积小，驱动电
压低 ，是廉价密集可携带的投影仪的理想光源。LED光源的发光光谱很窄 ，接近于单色光 ，因此能产生大
的色域 ，增加配色数 目，提高 图像质量。
当然 LED也存在较大的劣势 ，在实际的投影应用中，LED的强度仍然太低 。并且每单位光学扩展量
的效率也远低于 UHP灯 (大约为 UHP灯的 1／50)。现在 LED大多用作一些小的显示例如掌上 电脑 PDA
和手机 中。现将使用 LED作为微型 LCOS(1iquid—crystal—on—silicon)~ 仪光源 ，设计合理的照明系统结
构，使其达到所要求的照度和均匀。
2 LED光源选择
选择 LED光源时，要考虑 LED的尺寸 、排列、功率 、发光角度等问题 。一般在设计中 ，将许多 LED排
成一个阵列 ，作为面光源使用 。增加 LED的排列也就增加了发光有效面积 ，增加了光通量 。然而增加 LED
的排列同时也会增加光源的光学扩展量 。投影仪系统的光学扩展量 由系统投影透镜的 F数以及 LCOS光
阀的面积决定。光源的光学扩展量不能超过系统的光学扩展量 ，因此一味增加 LED的排列是没有用的。
光源的光学扩展量公式为：
Etendue— S × (Ⅳ )。 (1)
其中 S为光源的发光有效面积 ，即为单个 LED的面积 So与排列个数 Ⅳ 的乘积 。
S — S0× N (2)
NA为光源发光光束的数值孔径 ，如果所选择 LED的发光角度 小，就可 以在保证光源的光学扩展量
不超过系统光学扩展量的同时 ，增加 LED的发光有效面积 ，亦增加光通量 。
另外一种直接提高 LED效率的方法是在保证光学扩展量不变的情况下增加光通量。例如将不 同颜色
的LED面光源通过合光技术结合起来。在图1中，是一个三片式LCOS投影系统。系统中使用RGB三种 颜色的 LED面光源 ，分别被对应的 LCOS光阀调制后反射 ，x棱镜将三种颜色的光结合起来，’反射进投影
透镜。同时有一些文章研究在投影仪中使用 RGBCA(红绿蓝青黄)五种颜色的 LED面光源 ，结构如 图 2
所示 。使用五种颜色的 LED面光源不但能增加光通量 ，而且可以得到更大的色域及更好的图像质量 。在
图 3中 ，分别显示了 RGB三色 LED和 RGBCA五色 LED两个系统的色域 。三角形为三色 LED投影系统
的色域 ，而五边形为五色 LED投影系统的色域 。即使在单片式 LCOS投影系统中，也可 以使用 RGB三色
面光源 ，以增加投影系统的流明值[2一，如图 4所示 。
3 LED照明系统设计
在传统的投影仪 中，使用椭球反光碗或者抛物面反光碗提高点光源照明光阀的效率 。而在 LED投影
仪中，LED光源为面光源而非点光源 ，因此无法使用反光罩 在 HirokiKaneko的文章 中提到为了提高对
面光源 的光能利用率 ，可以采用“FF双焦距光学系统”。图 5显示了 FF光学系统的结构 ，其中 FF光学系
统被简化为透过型光学系统 ，以示说明。面光源 以及 LCOS分别置于照明透镜的前焦面 以及后焦面上 。由
于面光源被置于前焦面 ，面光源上任意一点发 出的光线都被照明透镜准直 ；这些被准直的光线经过照明透
镜并没有展开 ，而是大部分进入投影透镜 ；它们在 照明透镜的后焦面会聚 ，将 LCOS置 于后焦面上 ，因此
LCOS被有效的照明。所 以可 以通过 FF光学系统实现一个高效率的投影仪。
为 了提高光能利用率 ，还可以在系统中加入 与偏振光转换系统 ，使得输出光为单一偏振态。LED投射
出来的非偏振光经过偏振光转换系统变成偏振光 。图 6显示了 LED阵列的偏振光转换系统的原理图。偏
振光转换系统包括 一个 PBS(po1arizationbeam splitter)，一个三角棱镜 以及 1／2波片 。通过这个结构 ，
P偏振光被三角棱镜的斜面反射 ，经过 1／2波片被转换为 s偏振光 。同时 ，s偏振光经过 PBS被反射仍然为
S偏振光。偏振光转换系统通过增加 S偏振光将光效提高了 1．4倍。
通常所用的 PBS膜对于 45。入射的中心波长的光的偏振光分离作用比较好 ，而对其他角度入射的其
他波长的光的分离作用较差 。由于角度以及波长的影响 ，被偏振光转换系统反射的 S光和被 1／2波片转换
的 P光的强度不同，最后得到的光线并不均匀，因此把偏振光转换系统与光管耦合起来 。为了提高光线的
透射率，在三角棱镜以及光棒之 间设置一个很小的空气间隙[3]。这个空气间隙使得光线在器件之间发生全
反射 ，如同一个连续的波导。对于一个 由棱镜连接的光棒系统 ，图 7中显示了没有空气间隙情况下 ，光线传
播转动 9o。的情况 。光线 b沿光轴传播 ，在三角棱镜的斜边 9o。反射后继续传播 ，而光线 a和光线 c相对于
光轴有一定的角度 ，它们在传播的过程中损失掉 了。为了解决这个问题 ，在系统 中增加了空气间隙，如图 8
所示 。光线 a被三角棱镜斜边反射并没有直接射向输 出面，而是在三角棱镜对应入射光棒的面上发生全反
射，两个面之 间有一个小小的空气间隙。被全反射的光线传播进入 出射光棒 。光线 C在棱镜与 出射光棒对
应的面上也产生同样的全反射。因此光线在光棒与直角棱镜系统中传播如 同在笔直光棒 中传 播的效果 。
图 9为偏振光转换系统与光棒耦合的结构 。
包括了与偏振光转换系统耦合的光棒 以及照明透镜的复杂 FF光学系统如图 lO所示 。在系统 中，使
用的 LED阵列为 7个一组的白光 LED光源 ，功率为 7w ，输 出 1401m，发光半角为 3o。。为了提高效率 ，使
用了两个 LED面光源 。光源发出的光经过对应的偏振光转换系统，进入光棒得到充分的均匀，而照明透镜
将光能尽量地会聚在 LCOS上。图 11为 LCOS面板上的照度图，整个 LCOS上的光强分布 比较均匀 ，且
到达 LCOS光阀的效率约为 3o 。可以看到使用 LED作为投影仪光源 ，整个系统非常紧凑 ，结构也很简
单。如果能够根据实际的设计要求得到 LED面光源 ，将使得整个光学系统更为简单廉价 ，效率更高 。
4 结束语
投影仪光源部分的设计在一定程度上就是对光束的整形 ，以使得 LCOS光阀上的光效最高且均匀度
好 。LED光源 由于其强大优势被人们越来越重视 。但 因其发光强度太低而大大限制了它的使用范 围。基
于 LED的微型投影仪照明部分设计思路是选择一个符合设计要求的 LED或者通过一些光学器件将发光
特性与设计要求相近的 LED的光束进行整形。采用 LED阵列作为投影仪的照明光源 ，光源发 出的光经过
对应的偏振光转换系统 ，进入光棒得到充分的均匀 ，而照明透镜将光能尽量地会聚在 LCOS光阀上 模拟
结果表 明，该照明系统达到了所要求的照度，并且整个系统结构简单 ，非常紧凑。