微透鏡陣列的投影系統混光研究范文

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摘要：投影顯示技術是信息社會的一個重要方面。本文主要對投影照明系統進行模擬和仿真。系統采用LED光源并以DLP投影照明的光路設計為核心，用TIR透鏡對LED進行準直，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，最后在tracepro對整體光學器件和光路進行模擬和仿真，并分析投影系統的照度均勻度和光能利用率等。

關鍵詞：投影系統；微透鏡陣列；TIR透鏡；LED；光學設計

1概述

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

2設計思路

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

3系統建模

LED光源越來越多地應用于投影產業，在Tracepro中仿真LED光源，設置表面光源大小為1mmx1mm，光通量1lm，發散角±60°，朗伯分布。采用自由曲線TIR透鏡作為準直器件。TIR透鏡準直原理是TIR透鏡的透鏡部分對LED中間小角度光線進行透射處理，反光杯部分對大角度光線進行全反射處理，而達到準直效果。將透鏡透射部分和反射部分的兩條曲線進行公式推導，利用Snell定律推算出坐標關系后，使用matlab進行計算，擬合兩條曲線的坐標點。再用建模軟件擬合坐標點并且建立TIR透鏡模型，最后模型導入Tracepro中進行光路仿真。基于微透鏡陣列對投影照明系統進行勻光處理。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用于投影照明系統，并且可獲得高能量利用率和高均勻度的光斑。設定單個微透鏡半徑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，并且經過微透鏡陣列的能量利用率達到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，所以需要中繼系統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軟件對中繼系統進行設計，本文采用兩塊玻璃透鏡的設計方案。據系統要求和之前公式計算，設定入瞳直徑25mm，像高14mm，焦距32mm。玻璃采用BK7材料，建立初始結構后，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行約束后以波前差的標準進行優化，以達到需要的中繼系統。

4投影照明系統模型建立與仿真

在建立好各個部分模型后，進行整體的系統匹配，在Tra-cepro對光學器件和光路進行模擬和仿真。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。中繼系統由兩塊透鏡組成，將光束聚焦在DMD照射面上，整體系統的入瞳直徑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1；陳欣平1；石巖2；吳葉濤2 單位：1.橫店集團得邦照明股份有限公司，2.中國計量大學光學與電子科技學院