微透鏡陣列的投影系統(tǒng)混光研究范文

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摘要：投影顯示技術(shù)是信息社會的一個重要方面。本文主要對投影照明系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真。系統(tǒng)采用LED光源并以DLP投影照明的光路設(shè)計為核心，用TIR透鏡對LED進(jìn)行準(zhǔn)直，采用雙排整體微透鏡陣列作為勻光器件，選用雙凸透鏡組合作為中繼系統(tǒng)，最后在tracepro對整體光學(xué)器件和光路進(jìn)行模擬和仿真，并分析投影系統(tǒng)的照度均勻度和光能利用率等。

關(guān)鍵詞：投影系統(tǒng)；微透鏡陣列；TIR透鏡；LED；光學(xué)設(shè)計

1概述

投影顯示運用光學(xué)系統(tǒng)將圖像放大的一種光學(xué)顯示裝置，隨著新技術(shù)的快速發(fā)展和人們需要的不斷增長，投影產(chǎn)品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，發(fā)展空間廣闊。微型投影是一種具有體積小，高清晰度并且便攜的設(shè)備，如今不僅僅用于個人娛樂辦公，也逐漸應(yīng)用于辦公會議、家庭影院，已成為主流的顯示方式之一。

2設(shè)計思路

基于微透鏡陣列的投影系統(tǒng)主要分為三個部分準(zhǔn)直系統(tǒng)、勻光系統(tǒng)、中繼系統(tǒng)。采用LED作為光源并以DLP投影照明的光路設(shè)計為核心，用TIR透鏡對LED進(jìn)行準(zhǔn)直，用MATLAB、Tracepro設(shè)計建模，在codev軟件中優(yōu)化設(shè)計，最后在Tracepro對整體光學(xué)器件和光路進(jìn)行模擬和仿真，以到達(dá)較好的效果，并分析投影系統(tǒng)的照度均勻度和光能利用率等。

3系統(tǒng)建模

LED光源越來越多地應(yīng)用于投影產(chǎn)業(yè)，在Tracepro中仿真LED光源，設(shè)置表面光源大小為1mmx1mm，光通量1lm，發(fā)散角±60°，朗伯分布。采用自由曲線TIR透鏡作為準(zhǔn)直器件。TIR透鏡準(zhǔn)直原理是TIR透鏡的透鏡部分對LED中間小角度光線進(jìn)行透射處理，反光杯部分對大角度光線進(jìn)行全反射處理，而達(dá)到準(zhǔn)直效果。將透鏡透射部分和反射部分的兩條曲線進(jìn)行公式推導(dǎo)，利用Snell定律推算出坐標(biāo)關(guān)系后，使用matlab進(jìn)行計算，擬合兩條曲線的坐標(biāo)點。再用建模軟件擬合坐標(biāo)點并且建立TIR透鏡模型，最后模型導(dǎo)入Tracepro中進(jìn)行光路仿真。基于微透鏡陣列對投影照明系統(tǒng)進(jìn)行勻光處理。微透鏡陣列是由一系列小透鏡陣列組合形成，采用雙排微透鏡陣列可應(yīng)用于投影照明系統(tǒng)，并且可獲得高能量利用率和高均勻度的光斑。設(shè)定單個微透鏡半徑R為3.3043mm，則焦距為10mm，長寬為2mm和1.5mm。從而可以使得在照射面上形成矩形光斑，并且經(jīng)過微透鏡陣列的能量利用率達(dá)到92.3%，且勻光效果較好，滿足對光線勻光的需要。雙排微透鏡陣列將一個光源分割成多個光源，并且它的后排每個單元小透鏡將前排小透鏡的光束成像于無窮遠(yuǎn)，所以需要中繼系統(tǒng)將光束成像于照射面上，而在照射面上形成均勻光斑。使用codev軟件對中繼系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，本文采用兩塊玻璃透鏡的設(shè)計方案。據(jù)系統(tǒng)要求和之前公式計算，設(shè)定入瞳直徑25mm，像高14mm，焦距32mm。玻璃采用BK7材料，建立初始結(jié)構(gòu)后，對透鏡的中心最大最小厚度透鏡邊緣最大最小厚度以及空氣間隔進(jìn)行約束后以波前差的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到需要的中繼系統(tǒng)。

4投影照明系統(tǒng)模型建立與仿真

在建立好各個部分模型后，進(jìn)行整體的系統(tǒng)匹配，在Tra-cepro對光學(xué)器件和光路進(jìn)行模擬和仿真。自由曲面TIR透鏡口徑為24mm，采用PMMA材料。整體微透鏡陣列采用12x16的陣列，兩排微透鏡陣列相互對稱，單元小透鏡的尺寸為2mm*1.5mm，焦距10mm，也采用PMMA材料。中繼系統(tǒng)由兩塊透鏡組成，將光束聚焦在DMD照射面上，整體系統(tǒng)的入瞳直徑25mm，焦距32mm。材料為BK7玻璃。照射接受面的大小為15mm*20mm。

作者：厲強(qiáng)1；陳欣平1；石巖2；吳葉濤2 單位：1.橫店集團(tuán)得邦照明股份有限公司，2.中國計量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院