基于LED光源的单片式DLP照明系统设计
刘 旖，林祖伦，祁康成，王小菊，芮大为，沈 匿
( 电子科技大学 光电信息学院，成都 610054 )
摘要：在较小体积的照明系统中实现较好的照明效果是近年来微投影仪的主要发展方向。本文在对DLP (Digital Light Processing)微投影显示系统进行分析的基础上，提出了一种紧凑的基于LED光源的单片式DLP照明光路结构。当照明光斑尺寸满足0.3英寸的DMD(Digital Micromirror Devices)芯片时，中继系统的长度缩短至原来的50%左右。并利用ZEMAX软件分别对基于理想点光源和扩展面光源的照明系统进行了建模仿真。追迹50万条光线的仿真结果表明，本设计在两种光源模型下都可得到均匀的照明光斑，系统的光能利用率在33%左右。 关键词：DLP；微投影显示；照明均匀度；复眼透镜；中继系统
The Illumination System Design of One Chip DLP Optical Engine Based on LED Light Source
LIU Yi，LIN Zu-lun，QI Kang-cheng，WANG Xiao-ju，RUI Da-wei，SHEN Ni
( School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China )
Abstract: Achieving good illumination performance in a compact illumination system is the main development direction of micro-projector. A compact illumination system of one chip Digital Light Processor (DLP) projector making use of LED light source is introduced based on the analysis of the DLP micro-projection display system. The length of the relay system is shortened to about 50 percent while the light spot is big enough for illuminating the 0.3 inch Digital Micromirror Devices (DMD). Meanwhile, two models of illumination system respectively based on an ideal point source and an extended surface source are simulated by ZEMAX software. The 500,000 threads tracing simulation results show that, our design can achieve uniform light spot in a relative small system size. The utility rate of luminous energy of this illumination system is about 33 percent.
Key words: DLP; micro-projection display; illumination uniformity; fly-eye lens; relay system
0 引 言
LCD(Liquid Crystal Display)、LCoS(Liguid Crystal on Silicon)与DLP是目前三大主流投影显示技术，与前两种投影显示技术相比，DLP具有以下明显的优势：体积小重量轻，便于携带；光能利用率高，功耗低；采用全数字控制，具有精确的彩色再现能力；投影亮度和对比度高；电磁辐射低，可防止信息泄露；对恶劣环境忍耐度高。
随着近年来微投影机市场的迅速增长，DLP技术被广泛应用于个人影院、商业演示，甚至军事指挥与航空航天领域[1]。在今年的美国消费电子展(Consumer Electronics Show)上，各大公司推出的DLP微投影仪大放异彩，而TI公司推出的第四代DMD芯片将使DLP投影质量进一步提高，发展前景十分可观。
当前DLP微投影仪的发展方向主要有提高照明系统性能和进一步减小系统尺寸两方面。针对这两个问题，本设计采用双排复眼透镜阵列提高光能利用率和光斑均匀度，并采用摄远透镜组作为中继系统缩短系统尺寸，满足DMD芯片的照明需求。
1 单片式DLP照明光路的设计要求
DLP微投影显示系统主要由光源、照明光路、DMD(Digital Micromirror Devices)芯片和投影透镜组成。根据系统使用的DMD芯片个数，可以将DLP分为单片式、两片式和三片式投影系统。与后两种投影方式相比，单片式成本低，照明光路结构简单，非常适合应用于便携设备中。照明系统是微投影机的关键，决定投影系统的亮度、色饱和度和均匀性等重要指标[2]。单片式DLP照明光路的设计要求主要有以下几点：
1) 能实现光能的均匀分布。一般的光源和透镜符合高斯强度分布，采用普通照明系统将导致投影图像中间明亮而边缘较暗。因此所设计的照明光路需能实现光能的重新分布，尽可能均匀地照亮DMD芯片。
2) 具有较高的光能利用率。光能利用率直接影响投影图像的亮度，具有较高光能利用率的照明光路系统能在给定光源的情况下，提供更明亮的照明光斑。
3) 结构紧凑。便携性设备要求系统体积越小越好，用较小尺寸的系统实现较高的照明效果。
2 照明光路结构
本设计基于LED光源进行DLP的照明光路设计。作为一种新兴光源，LED具有寿命长、亮度高、色域广等特点[3]。用LED代替传统的弧光灯作光源，体积小巧，方便携带[4]。设计的单片式DLP照明光路结构如图1所示。采用二向色分光镜代替传统的X棱镜，实现RGB三基色合光，降低成本和系统重量。采用双排透射型复眼透镜，将入射的圆形光斑转化为与DMD芯片耦合的方形光斑，提高光能利用率并实现均匀照明。与传统设计中的光棒相比，复眼透镜的光程较短，能使系统结构更为紧凑。使用摄远系统作为中继系统，并用反射镜转折光路，进一步缩短系统尺寸。
复眼透镜的口径和焦距分别由光源和系统尺寸确定[5]，以往采用复眼透镜的光路设计中，普遍使用一个正透镜来会聚光线，称为会聚透镜。在复眼透镜的口径与焦距一定的情况下，子透镜列数越多，照明光斑越均匀，但会使光斑的面积减小。一般的方法是增大会聚透镜的焦距来保证照明光斑的面积，这将导致光路结构的尺寸增大，系统的紧凑性降低[6]。本设计采用正透镜和负透镜组而成的摄远(telephoto)系统来会聚光线，能够在保证焦距不变的情况下，减小光路尺寸。图2是本设计基于0.3英寸DMD芯片的照明光路仿真模型，图3是采用会聚透镜时，为达到相同大小的照明光斑所需光路的仿真模型。
对比图2和图3可以看出，在相同焦距下，本设计的光路结构相比只采用会聚透镜的光路结构，尺寸缩短了约50%，系统结构更加紧凑。
3 理想点光源的ZEMAX仿真结果
将LED简化为理想点光源建立仿真模型，用ZEMAX追迹50万条光线，得到如图4所示的光斑图形。
图4中(a)是光源发出的未经过复眼透镜的光斑，光斑呈圆形，中间明亮而边缘较暗；(b)为经过照明光路后在DMD芯片处的得到的光斑，光斑呈方形，长宽比与DMD芯片相一致，为4:3，整个光斑内光能分布均匀。图5(a)、(b)两图分别对应图4中两个照明光斑X方向上的照度分布，可以明显看出照明光路对光源光线的整形和匀光作用。表1列出了图4中两个照明光斑的参数。
分析表1中的数据可知，通过照明系统前后，光斑上的峰值照度减小到了原来的42.9%，系统的总光能利用率约为33.4%。
4 扩展光源的ZEMAX仿真结果
为更接近实际情况，将仿真模型中的理想点光源更改为1 mm×1 mm的面光源，仿真结果如下。 图6给出了光源为扩展光源时通过照明系统前后的光斑图形。图7(a)、(b)分别对应了图6中两个照明光斑在X方向上的照度分布。从图6和图7可以看出，当光源是扩展光源时，设计的照明系统仍然能获得较均匀的方形光斑。
表2给出了图6中两个照明光斑的具体参数。与理想点光源相较，扩展光源初始的光斑面积更大，峰值照度较小，通过照明系统后，峰值照度减小到原来的58.8%。系统的总光能利用率约为33.3%，略低于光源模型为理想点光源时的光能利用率。
5 结 论
本文综合考虑了照明效果和系统尺寸两方面的因素，分析并设计了基于LED光源的单片式DLP微投影仪的照明光路，当DMD芯片为0.3 inch时，本文设计的中继系统与传统设计相比，尺寸缩短了50%左右。通过调节复眼透镜和中继系统的焦距改变照明光斑的尺寸，此种设计可以应用于不同型号的DMD芯片，使系统结构更加紧凑。分别用理想点光源和扩展面光源对设计进行了软件仿真和分析，均能实现光斑形状的转变和能量均匀分布。