单片式微型滤色膜LCoS的照明系统设计.pdf

第 38 卷第 3 期 光电工程 Vol 38 No 3 2011 年 3 月 Opto Electronic Engineering March 2011 文章编号 1003 501X 2011 03 0100 05 单片式微型滤色膜 LCoS 的照明系统设计 高慧芳 刘钦晓 刘 鹏 张文字 余飞鸿 浙江大学 光电系现代光学仪器国家重点实验室 杭州 310027 摘要 为了使微型投影系统既保持结构紧凑又能获得良好光学性能 本文根据柯拉照明原理提出一种基于 LCoS 和 LED 光源的照明方案 该方案修改了基本的柯拉照明结构 通过合理设置孔阑 能在 LCoS 面上得到均匀光斑 而且照明部分光学元件非常简单 整体尺寸大大减小 本文分别使用球面和非球面两种照明系统进行仿真对比 球面系统空间均匀性 86 非球面系统空间均匀性 95 基于非球面方案的整机系统能量效率达到 9 94 屏幕 均匀性大于 90 光学模组的厚度在 9 mm 以内 非常适合于内嵌式投影系统 关键词 LCoS LED 微型投影 非球面透镜 中图分类号 O439 文献标志码 A doi 10 3969 j issn 1003 501X 2011 03 018 Illuminating System for Single Color Filter LCoS Panel Micro Projector GAO Hui fang LIU Qin xiao LIU Peng ZHANG Wen zi YU Fei hong State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation Optical Engineering Department Zhejiang University Hangzhou 310027 China Abstract To keep micro projection system compact and highly efficient an illuminating system is proposed based on LCoS and LED This system follows the principle of Kohler illumination By modifying Kohler illumination system and setting the rational stop uniformity lighting zone can be got on the LCoS plane Besides this system becomes simple and compact Spherical lens and aspherical lens are used in this illuminating system respectively And simulation results show that illumination efficiency is 86 for spherical lens and 95 for aspherical lens When using aspherical lens transmission efficiency of the whole projection system is 9 94 and spatial uniformity is above 90 The thickness of optical module is less than 9 mm Key words LCoS LED micro projector aspherical lens 0 引 言 近年来随着投影显示技术的发展 微型投影显示引起了越来越多的关注 尤其是基于微显示芯片的投 影显示 已经成为投影市场中越来越重要的竞争者 目前较常用的微显示芯片主要有 薄膜晶体管型液晶 显示器 TFT LCD 德州仪器的数字光处理芯片 DLP 基于硅基上的液晶 LCoS 与 TFT LCD 和 DLP 相 比 LCoS 兼有加工工艺简单 成本低 响应速度快 亮度高 可视角度大 对比度高等优点 而且 LCoS 尺寸小 利于实现微型化 1 2 另外 对于微型投影设备 照明系统是关键 它决定了投影系统的亮度 色 饱和度和均匀性等重要指标 照明系统包括光源和照明元件 目前较常用的光源有电致发光的超高压汞灯 热发光方法的卤素灯 金属卤化物灯 氙灯 以及 LED 等 其中 LED 尺寸小 发热量少 重量轻 功耗 小 寿命长 比较适合用做微型投影仪的光源 3 4 本文首次提出一种基于 LCoS 和 LED 光源的简单紧凑的照明方式 在柯拉照明原理基础上 使用简化 收稿日期 2010 12 01 收到修改稿日期 2011 01 12 作者简介 高慧芳 1985 女 汉族 河南商丘人 硕士研究生 主要研究基于 LED 的照明设计 E mail gaohfgao 第 38 卷第 3 期 高慧芳 等 单片式微型滤色膜 LCoS 的照明系统设计 101 的柯拉照明前端结构 用两片单面非球面透镜收集 LED 发出的光 通过合理设置孔阑并优化 在 LCoS 显 示芯片上得到均匀照明区域 相比之下 传统照明系统比较常用的照明元件 如光棒 复合抛物面聚光器 和复眼透镜等 5 8 虽然可以达到较好的能量利用率和空间均匀性 但是结构较为复杂 整体尺寸偏大 不 适合嵌入到手机和游戏机等手持设备中 与传统微型投影设备相比 本文所提方案达到成本低廉 结构小 巧 性能适中 工艺简单 屏幕均匀的效果 非常适合于内嵌式投影系统 1 设计原理 1 1 设计输入 LCoS 是反射式 LCD 微投影技术 它采用的空间光调制器是以液晶光电效应为基础的反射式液晶光阀 可以调制光的偏振态 本文使用的 LCoS 是滤色型的 显示芯片的一个像素通过贝叶编码掩膜实现彩色显 示 这种混色方式的显示芯片不需要分光合光 整体光路系统简单 结构紧凑 适用于低成本的内嵌式微 型投影系统 LCoS 具体参数见表 1 另外 该设计中 LED 选用的是 Osram OSTAR 系列的 LED 其有效 发光区域为 1 mm 1 mm 发光模式是近似朗伯体发光 具体参数见表 2 1 2 设计输出 照明系统的主要指标是传递效率 空间均匀性和入射角度 本文照明系统出射端光斑是半径约等于 4 mm 的圆 LCoS 的有效区域是 5 76 mm 4 32 mm 照明光斑的尺寸大于微显示芯片 LCoS 的有效区域 能 有效防止边缘出现暗角 能量传递效率约为 50 左右 空间均匀性在 85 以上 LCoS 上光线入射角度小 于 15 1 3 设计原理 柯拉照明是一种获得均匀照明区域的有效方法 它的原理是 照明系统的孔径光阑与成像系统的视场 光阑共轭 照明系统的视场光阑与成像系统的孔径光阑共轭 光源像位于成像系统的孔阑处 而光源位于 照明系统的孔阑处 9 由于被光源均匀照明的 Stop1 成像在目标面上 所以目标面可以获得均匀的照明 图 1 a 为柯拉照明的示意图 Lens1 收集 LED 发出的光 在 Stop1 处能得到均匀照明区域 Stop2 位于光源 的像面上 同时也是 Lens2 的前焦面 这样可以在透镜的后焦面上得到最终的照明光斑 Stop2 可以控制 照明区域尺寸 Stop1 可以调节目标区域的入射角度 这种方法能得到非常好的照明指标 适用于一般微 型投影照明系统 考虑到微型投影系统中 尤其是内嵌式的投影模组中 要保证系统结构非常紧凑 本文提出的基于LCoS 和 LED 的照明系统修改了柯拉照明结构 Stop1 上是均匀照明的 因为这个面被 LED 上每一点发出的光线 照到 那么把孔阑设置在这个目标面上 根据图 1 b 所示的柯拉照明前端结构原理图 分析目标面的照度 分布 将 LED 做为点光源处理 置于 Lens1 的前焦点上 点光源发出的光束经过 Lens1 准直后平行出射 并在 Lens1 的光阑面形成照度分布 假设点光源的光强角度分布为 I i 其中 i 是光束的出射角 出射光束 经 Lens1 准直后在光阑面上的入射点位置 P 的坐标为 x f tani 则可以计算得到照明光束在目标面 P 点形 成的照度分布为 表 1 LCoS 参数 Table 1 Parameters of LCoS Item Active area dimensions Display resolutionContrast ratioAspect ratioPixel pitch Optical efficiency Values 5 76 mm 4 32 mm 320 240 120 1 4 3 18 m 18 m Reflectance 19 表 2 LED 参数 Table 2 Parameters of LED Item Optical efficiency Viewing angle Typical luminous flux 350 mA Max luminous flux 1 000 mA Emitter size Values 110 lm W 100 mA 120 Lambertian emitter 98 lm 230 lm 1 mm 1 mm 光电工程 2011 年 3 月 102 i f iI i i if iiiI xx iiiI S xE 3 2 2 2 cos d cos tan 1 dsin d 2 dsin 2 d d 1 LED 具有朗伯体光强分布特性 则可以在 Lens1 的光阑面上 也就是得到目标面上的照度分布为 2 2 2 2 4 2 1 1 cos 1 f x f f xE 2 在目标面上会得到圆形光斑 圆斑的照度分布随着目标面坐标下降 本文中照明系统出射端圆斑半径 大约控制在 4 mm 左右 其范围大于 LCoS 有效区域 边缘照度下降保持在 25 以内 这样就能在 LCoS 面板上得到均匀光斑 而且照明部分光学元件非常简单 整体长度大大缩短 由于液晶会产生双折射等效应 因此在液晶投影显示系统中 当照明光入射到液晶显示芯片上时 只 有特定方向的偏振光被利用 投影显示系统中采用的 LED 光源发出的是自然光 需利用偏振光转换系统 PBS Polarization Beam Splitter 将自然光高效转 化为具有同一偏振态的偏振光 由于 LCoS 是反 射式的显示芯片 所以入射光和出射光在微显示 芯片的同一侧 为了区分这两路光 入射到 LCoS 芯片上的光束和从 LCoS 反射的光束应该具有不 同的偏振态 10 PBS 通过镀多层膜来实现对 S 偏 光的高反射和对 P 光的高透射 入射光是偏振光 暗态时 LCoS 对入射光的偏振态没有调制作用 出射光返回 PBS 时再次被反射 光能不能进入投 影物镜进而到达屏幕 亮态时 入射光在 LCoS 器件的调制下 由 S 态转换为 P 偏振光 因而出射光返回 PBS 时发生透射 最后经投影物镜达到屏幕 图 2 显示了基于 LED 光源和 LCoS 的柯拉照明前端系统示意 图 2 设计方案及仿真结果 基于上述设计思路 使用两片简单的球面透镜代替图 1 中的 Lens1 来收集 LED 发出的光 实际结构如 图 3 a 所示 该照明系统可以收集 60 以内的光线 照明系统的孔阑设置在 LCoS 表面 确保 LCoS 被高度 均匀的照亮 微显示芯片 LCoS 最重要的要求是入射角度和照明区域大小 LCoS 只有在接受一定角度内的光线才能 达到比较高的对比度 角度要求是 15 以内 本文用优化来取得空间均匀性和能量效率的平衡 为了得到 更好的空间均匀性 照明系统选用两片单面非球面透镜代替球面透镜 其系统结构图如图 3 b 所示 该设 图 2 基于 LED 光源和 LCoS 的柯拉照明前端结构示意图 Fig 2 The structural representation of the front part of Kohler illumination system based on LED and LCoS LED PBS PG Target Lens1 i di LED Lens1 Target dx P x Z a 柯拉照明原理图 a Schematic diagram of Kohler illumination b 柯拉照明前端结构原理图 b Schematic diagram of the front part of Kohler illumination system based on LED 图 1 照明系统原理图 Fig 1 Schematic diagram of illumination system Lens1 Stop1 Stop2 Target LED Lens2 第 38 卷第 3 期 高慧芳 等 单片式微型滤色膜 LCoS 的照明系统设计 103 计方法中的两片单面非球面透镜 材料都是 PC 可以注塑加工 保证高精度和低成本 本文选用 Tracepro 仿真分析软件对整个微型 LCoS 投影照明系统进行仿真和分析 以下仿真结果中 空间均匀性通过 ANSI 九点法计算 图 4 是两片球面镜仿真结果 LCoS 面设为观察面 仿真结果参数如下 空间均匀性 86 ANSI 9 点法 能量传递效率 55 63 光线入射角度基本小于 10 但是中心出现了明显塌陷 边缘有轻微暗角 投影在 屏幕上会导致效果不理想 图 5 是两片单面非球面仿真结果 LCoS 面设为观察面 仿真结果参数如下 空间均匀性 95 ANSI 9 点法 能量传递效率 53 20 光线入射角度基本小于 10 基于两片非球面的整机结构图和仿真结果如图 6 所示 该整机系统能量效率为 9 94 当 LED 驱动电 流 350 mA 时 整机输出光通量约为 9 74 lm 1 m 处投影屏幕尺寸约为 22 inch 屏幕均匀性大于 90 ANSI 9 点法 屏幕整体很均匀 没有暗角等现象 同时光学模组的体积非常小 厚度可以控制在 9 mm 综上 所述 该系统结构小巧 均匀性优异 整机性能非常理想 a 使用两片非球面时 LCoS 面上的照度图 a Incident irradiance map on the LCoS panel 图 5 两片单面非球面仿真结果 Fig 5 Simulation results of two aspherical lens b 使用两片非球面时 LCoS 面上的坎德拉图 b Candela distribution on the LCoS plane a 使用两片球面镜时 LCoS 面上的照度图 a Incident irradiance map on the LCoS panel b 使用两片球面镜时 LCoS 面上的坎德拉图 b Candela distribution on the LCoS plane 图 4 两片球面镜仿真结果 Fig 4 Simulation results of two spherical lens a 两片球面透镜组成的照明系统图 a Illuminating system consisting of two spherical lens b 两片单面非球面构成的照明系统图 b Illuminating system consisting of two aspherical lens 图 3 照明系统图 Fig 3 Schematic diagram for the illumination system 光电工程 2011 年 3 月 104 3 结 论 为了实现微型投影模组内嵌在手持设备中使用 本文修改了柯拉照明结构 设计一种基于 LCoS 微显 示芯片和 LED 光源的简易照明系统 使用两片透镜构成前端柯拉照明 分别采用球面透镜和非球面镜方案 通过仿真结果可以看出 球面透镜方案的均匀性不够理想 而非球面系统可以达到满意的空间均匀性和能 量效率 能量传递效率达到 53 20 均匀性 95 不仅克服了由于照明系统复杂造成的整体尺寸偏大等问 题 而且结构简单紧凑 加工方便 成本较低 非常适用于内嵌式的微型投影系统 参考文献 1 Meuret Y Vangiel B Christiaens F et al Efficient illumination in LED based projection systems using lenslet integrators J Proc of SPIE S0277 786X 2006 6196 619605 2 Sharp G Chen J Robinson M et al Two panel LCOS based projection system A potentially compact high resolution avionics display J Proc of SPIE S0277 786X 2003 5080 207 217 3 Murat H Smet H D Cuypers D Compact LED projector with tapered light pipes for moderate light output applications J Displays S0141 9382 2006 27 3 117 123 4 Teijido J Ludley F Ripoll O Compact three panel LED projector engine for portable applications J SID Digest of Technical Papers 0097 966X 2006 37 2011 2014 5 Bogaert L Meuret Y Giel B V et al LED based full color stereoscopic projection system J Proc of SPIE S0277 786X 2007 6489 64890E 6 Li K Sillyman S Inatsugu S Light Pipe Based Optical Train and its Applications J Proc of SPIE S0277 786X 2004 5524 186 195 7 Luwei Peifu G Shenmo A Novel LED Il