基于LED的DLP投影显示光学引擎的研究

摘 要：文章研究基于LED光源的DLP投影显示光学引擎系统，运用非成像光学理论计算了与所选用的DMD芯片相匹配的LED光源的发光面的尺寸及方棒的尺寸，利用光的折射定律和三角法则，设计了光学引擎系统中重要光学元件TIR棱镜的各项参数。采用Tracepro软件对整个光学引擎系统进行了建模、模拟和设计，并测得系统的照度图，计算了系统的光能利用率和观测光的均匀度，为建立基于LED光源的DLP投影显示光学引擎系统的实验装置奠定了良好的基础。

关键词： 投影显示；LED；DLP；TIR棱镜；Tracepro

中图分类号：TN141.8 文献标识码：B

Study on Optical Engine System for DLP of Projection Display Based on LED

LIN Peng1, YU Jian-hua2, CHEN Ri-guang2, LIU Wei-jie1, KONG Ru-bin2, ZHANG Qi2, GONG Xiang-dong2, WU Guo-cheng2, LUO Liang-yu1

(1. Lasereffects Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523000, China; 2. College of Electronic Science & Technology, Shenzhen Guangdong 518060, China)

Abstract: We study optical engine system for DLP projection display based on LED. By Using non-imaging optical theory, the size of LED chip and light pipe were calculated, which match the DMD chip. We have determined the parameters of TIR prism (an important optical element of the optical engine system), based on light refraction law and triangle rule. The simulation and design of the optical engine system were achieved by optical software Tracepro. The illuminance map, optical efficiency and uniformity of the system have been obtained. A good foundation for further experimental study on LED projector was built.

Keywords: projection display; LED; DLP; TIR prisma; Tracepro

引 言

投影显示是一种对环境要求较低的投影显示技术，适合于家庭、会议与控制指挥系统的大屏幕显示。与平板显示相比较，投影可以实现超大屏幕显示[1]，是一种最经济的、性价比最高的显示技术。传统的投影显示采用弧光灯光源，体积大、功耗大、寿命短、发热量高。近年来出现的大功率LED则具有体积小、功耗低、寿命长、无红外辐射、符合环保要求等优点，且采用三色LED作为光源的投影显示系统可得到鲜艳的投影画面和具有更大的色域。本文研究以大功率LED为光源的DLP投影显示光学引擎技术。

1 光学引擎的设计

光学引擎采用了单片0.7英寸的DMD芯片，系统由三色LED光源、方棒照明系统、DMD芯片及投影物镜组成，其组成结构如图1所示。

三色大功率LED发出的光由TIR透镜收集并准直后进入合色棱镜合色，再由会聚透镜将光会聚到积分方棒中，从而对光束进行整形，得到均匀的照明光线。从方棒中出来的光是发散的，所以用准直透镜组来压缩光束的角度。光线进入TIR棱镜后，被反射进入DMD芯片中，受到DMD芯片的调制后，符合条件的光经TIR棱镜投射进入投影物镜中，最后被投射到屏幕上。

DMD芯片的光学扩展量是一定的，其光学扩展量的计算如下式[2]：

EDMD=π*ADMD*sin2θDMD （1）

其中，ADMD为DMD芯片的面积，θDMD为DMD芯片的最大接受角度。

在理想的情况下，LED的光学扩展量应与DMD芯片的光学扩展量相等[3]，即在光传输效率最大情况下，LED在该光学扩展量内的光能量能够全部照射到DMD上。当然，由于像差等因素的影响，实际的能量利用率会有所降低。由光学扩展量的守恒关系可得：

ELED=n2*π*ALED*sin2θLED=EDMD（2）

其中，n为LED封装材料的折射率；ALED为LED的发光面积；θLED为LED封装介质中光的最大发射半角。

由式（1）和（2）可推出：

ALED=ADMD*sin2θDMD/n2* sin2θLED （3）

又由于DMD的长宽比为4:3，所以LED的发光面的长宽比也为4:3。将此条件与式（3）联合起来可得出与DMD匹配的LED的发光面的长和宽。经计算，红光的发光面为3.263059mm×2.447294mm，绿光和蓝光的发光面为4.6007980mm×3.454599mm。根据这些参数综合考虑LED的选型，最后选用美国Luminus-Phlatlight系列的PT121型号的三基色大功率LED，此款LED非常适用于0.7英寸的DMD芯片。

方棒照明系统主要的作用是将光源输出的圆形光斑转化成所需要的矩形照明光斑，同时也满足系统光能利用率及照明均匀性要求的光学系统[4]。光线进入光棒后，经过多次反射后从另一端面出射，在出射面上形成照明均匀的矩形光斑。

在投影显示系统中，为了提高能量的利用率，方棒端面的大小需与DMD芯片的大小匹配。由于DMD芯片的长宽比为4:3，所以方棒的长宽比也为4:3。设方棒的端面的长为C，宽为K，则C=4*K/3。由二维的光学扩展量即拉赫不变量可知[3]：

K*sinθ=KDMD*sinθDMD （4）

其中，KDMD是DMD芯片的宽度，它的值是确定的，θ是从方棒出射的光的角度，是由光源决定的参数。在Tracepro软件中可测得θ约等于20°。θDMD是入射到DMD芯片上的光线的角度，而DMD芯片可利用光线角度为12°，所以可令θDMD=12°估算方棒的宽度。经计算可得方棒的端面的大小为6.4850mm×8.6467mm。

光线进入方棒后，在薄膜和空气的界面发生全反射，所以方棒的长度可由光线在方棒内的反射次数确定。设方棒的长度为Z，进入方棒的光线的角度为i，方棒的宽度的一半为k，则由折射定律可得：

方棒的长度不宜过长，太长会使得能量因全反射次数过多而衰减。而过短则会使得光棒出射的光束均匀度不够。所以，一般来说光线在光棒中全反射3次后，均匀度就基本达到要求。在Tracepro软件中可测得入射角i约等于20°，并将各项数据代入可得长度Z约为115.8mm。

一般的TIR棱镜由两个棱镜胶合而成[5]，两块棱镜胶合相邻面之间保留有厚度几微米左右的空隙。当光线入射到棱镜和空气界面时，由于入射光线满足全反射的条件，光线发生全反射，进入DMD芯片中。光线经DMD芯片调制后，亮态下的光束直接透射至投影物镜，而暗态下的出射光束则由于角度偏离而无法进入投影物镜。所以，TIR棱镜一方面用于分离入射照明光和出射光，另一方面保证暗态光束偏离投影物镜和亮态光束进入投影物镜。同时，为了提高能量利用率，会在两块棱镜的胶合面上镀增透膜，以提高亮态光束的透过率。使用TIR棱镜使得系统的光路更加简单及紧凑和提高了系统的对比度。TIR的工作原理如图2（a）所示。

图2（a）中接收入射光线的棱镜的各个角度可由折射定律和三角法则计算[6]。经过计算可取，α=49.296°，β=98.024°，γ=32.5°。两个棱镜的平面平行，所以γ2=γ=32.5°。而α2和β2的值则由光线模拟的具体情况而定。由上述算出的结果在Tracepro软件中建立经典的TIR棱镜的模型，如图2（b）所示。

TIR棱镜也可以由三块棱镜粘合而成[7]，三块棱镜之间留有几微米的空气间隙，它是在经典TIR棱镜的理论基础上建立起来的。它在Tracepro软件中建立的模型如图2（c）所示。

为了验证TIR棱镜的设计效果，建立一个光源，让其发出平行光，入射到TIR棱镜，经DMD芯片调制后再由TIR棱镜透射或反射出去。所以，要对DMD芯片进行建模。DMD芯片中有成千上万个像素点，在Tracepro全部列出是比较繁琐的，所以将其简化，像素设为：4×3。将DMD芯片模型中的像素点部分设为暗状态即旋转到-12°，部分设为暗状态即旋转到+12°，仿真结果如图3所示。

与典型的TIR棱镜相比，三片式的TIR棱镜的体积较大，且加工较复杂，但亮光束和暗光束的分离效果好，有利于提高系统的对比度。所以，系统的中TIR棱镜采用三片式的TIR棱镜。

2 DLP光学引擎系统的建模及仿真

经过前面的计算分析，系统主要元器件的参数综合如表1所示。

根据表1提供的参数，整个光学引擎系统的在Tracepro软件中的建模图如图4所示。

根据表1设置光源的各项参数，并将DMD的像素点全部设为亮状态，光学引擎系统的仿真图如图5所示。

测得屏幕上的入射光通量图如图6所示。

由图6可知，总的输出光通量为356.58 lm，所以系统的光能量利用率为：

3 结 论

本文研究基于LED光源的DLP投影显示光学引擎，利用非成像光学理论计算了与所选用的DMD芯片相匹配的LED光源的发光面的尺寸及方棒的尺寸，并在此基础上利用Tracepro软件对光学引擎系统进行设计、建模、模拟。测得屏幕上的光能输出为356.58 lm，光能利用率为10.52%，照度均匀性为68.7%。本设计采用单片式DLP投影显示系统，系统结构简单，为进一步实验研究奠定了良好的基础。

参考文献

[1] 韩景福. LCOS显示技术与LCOS背投[J]. 现代显示，总第88期（2008）.

[2] 徐 佳. 基于LED的DLP投影显示光学引擎研究[D]. 华东师范大学硕士学位论文，2008.

[3] 刘 旭，李海峰. 现影显示技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，2009.

[4] 王蔚生，窦晓鸣，黄维实. 液晶投影机光棒照明系统的分析与设计[J]. 上海交通大学光学工程研究所，光学仪器，2004，第26卷，第4期.

[5] 邱 崧. 基于LED光源的DLP投影系统的研究[D]. 华东师范大学博士论文，2007.

[6] John W. Bowron, Reginald P. Jonas. Off-axis illumination design for DMD systems[J]. SPIE, 5186: 75-77, 2003.

[7] Chong-Min Chang, Han-Ping D. Shieh. Design of illumination and projection optics for projectors with single digital micromirror devices[J]. APPLIED OPTICS, Vol. 39, No. 19, 2000.

作者简介：余建华（1956-），男，湖北大冶人，博士，教授，研究方向为光电显示、智能照明、环境光电监测、激光技术等，E-mail：jyu@szu.省略。