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CF-LCoS微型投影光引擎的LED照明系统研究

张文字  
【摘要】:论文通过回顾传统成像光学和非成像光学中光线的折/反射过程,对于光学曲面斜率角在光学系统中的作用进行了重新认识。无论是在成像光学还是非成像光学中,光学曲面斜率角都起了重要的作用,所有光线的汇聚、发散以及光能量的再分配过程都是直接经由它完成的。相对于传统非成像器件优化中常用的基于曲面面型控制的优化方法,本论文首次提出了一种基于曲面斜率角控制的优化方法。该方法可以有效地避免传统的基于曲面面型控制的优化方法中存在的三个问题,可更加有效地控制优化目标逼近设计目标。论文通过用于普通照明的非成像反射器设计的实例比较对曲面斜率角控制优化方法的优势进行了验证。 论文在微型投影光引擎照明系统设计中应用了基于曲面斜率角控制的优化方法。本论文首先设计了一款基于单片集光镜进行LED光束整形的嵌入式CF-LCoS微型投影光引擎。该光引擎结构简洁、组装制造方便、成本较低,同时又保持了较高的光效率以及投影画面均匀度,非常适合在手机等移动平台上的批量应用。论文首次应用曲面斜率角控制优化方法对基于TIR透镜的光引擎照明系统进行优化,在零件成本降低的同时,也减小了光引擎的系统尺寸。另外,论文也首次应用曲面斜率角控制优化方法对基于集光镜和柱面镜生成椭圆光斑的照明系统进行了优化,虽然该系统尺寸稍微偏大,但是经过优化后的照明系统其光能利用率比单片集光镜照明方案提升了至少10%。椭圆光斑照明系统的最大优点在于它能为不同长宽比或大长宽比的显示芯片提高同样的光能利用效率和照度均匀性。 论文更进一步研究了基于白光LED照明的独立式CF-LCoS微型投影光引擎设计。论文首先通过数学推导分析了复眼和光棒二种传统匀光方式的差异点和共同点。二种匀光方式都是通过对光束角的分割和积分来实现均匀照明,而光棒由于其独特的“镜向积分”过程使其在面对奇对称性光源时保持了与偶对称性光源时相同的匀光能力,这一点是复眼匀光方式所不具备的。针对这二种传统匀光照明系统的不足之处,本论文提出了一种基于光棒匀光中继放大的LED照明方法。该照明系统结构简洁、组装制造方便,同时又可以为显示芯片提供高效率的、高均匀度的、小角度的矩形光斑照明。论文的最后通过一款独立式CF-LCoS微型投影光引擎设计以及实际的样机制作与测试工作验证了该种基于光棒匀光中继放大的LED照明方法的有效性。 论文研究工作的主要创新点有:(1)论文所有设计都是针对LED实际光线文件模型,而非理想光源模型;(2)重新认识了光学曲面角的作用,首次提出了一种基于光学曲面斜率角控制的非成像光学器件优化方法;(3)首次应用曲面斜率角控制优化方法成功设计了一款基于单片集光镜LED照明的嵌入式CF-LCoS微型投影光引擎,非常适用于手机等移动平台上的应用;(4)应用曲面斜率角控制优化方法对基于TIR透镜的光引擎照明系统,以及基于集光镜和柱面镜生成椭圆光斑的光引擎照明系统,二类照明方式进行优化设计,获得了光引擎光能利用率的提升;(5)利用数学推导对复眼和光棒二种匀光方式的共同点和差异点进行分析比较,首次提出了一种基于光棒匀光中继放大的LED照明方法;(6)通过基于LED照明的独立式CF-LCoS微型投影光引擎的设计以及实际的样机制作与测试验证了基于光棒匀光中继放大的LED照明方法的有效性,该款微型投影光引擎ANSI九点法输出40lm,均匀度达到94%,对比度超过180,同时样机的实测光能利用率达到了4.83%,可以满足一般的独立式微型投影显示的需求。


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