第 25 卷 第 5 期2004 年 10 月发 光 学 报CHINESEJOURNA L OFLUMINESCE NCEVol1 25N o1 5Oct. , 2004文章编号 : 100027032(2004) 0520591206用于投影显示的匀光杆照明系统设计张增宝 , 张 新 , 翁志成 , 丛小杰 , 冯树龙(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学技术中心 , 吉林 长春 130033)摘要 : 基于 DM D 和 LCoS空间光调制器的投影显示对照明系统提出了 更高的要求 ,有必要对原有的匀光杆照明系统进行分析和改进。 着重于建立一个精确的匀光杆照明系统模型 ,对各个参数进行了细致的分析和总体的优化 。 同时提出了一种高...

　　第 25 卷 第 5 期2004 年 10 月发 光 学 报CHINESEJOURNA L OFLUMINESCE NCEVol1 25N o1 5Oct. , 2004文章编号 : 100027032(2004) 0520591206用于投影显示的匀光杆照明系统设计张增宝 , 张 新 , 翁志成 , 丛小杰 , 冯树龙(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学技术中心 , 吉林 长春 130033)摘要 : 基于 DM D 和 LCoS空间光调制器的投影显示对照明系统提出了 更高的要求 ,有必要对原有的匀光杆照明系统进行分析和改进。 着重于建立一个精确的匀光杆照明系统模型 ,对各个参数进行了细致的分析和总体的优化 。 同时提出了一种高效率的组合反射镜模型 ,通过 LightTools 软件模拟仿真 ,实现了 ANSI照明均匀性为 ( + 4. 2 % , - 4. 6 %) ,光能利用率为 82 %的照明输出 。 能够满足投影显示对照明系统的指标要求。关 键 词 : 组合反光镜 ; 匀光杆 ; 照明系统 ; Etendue 量 ; 光效率中图分类号 : TN873. 93 文献标识码 : A 收稿日期 : 2003209208 ; 修订日期 : 2003212210 作者简介 : 张增宝(1976 - ) , 男 , 河北保定人 , 博士研究生 , 主要从事光学设计、 投影显示光学引擎的研究。现通讯处 : 大连市 110 信箱 7 分箱(邮编 :116023) ; E 2mail : zhangzb @dicp. ac. cn , Tel : (0411) 843792631 引 言椭球2匀光杆照明系统 ,因其结构简单、造价低廉 ,同时又具有高效率、高均匀性 ,可将圆形的光束转变成矩形光束 ,在投影显示中已经得到了广泛的应用[1 ]。 如图 1 所示 ,将短弧灯沿光轴放在旋转椭球面反射镜的内焦点上 ,匀光杆放在反射镜的第二焦点附近 ,光线进入匀光杆经多次反射 ,在杆的末端形成均匀的照明 。 通过转向透镜成kb体育平台官网 kb体育像到 LCD、LC oS 或 DLP 等空间光调制器上 ,而后被缩放到与空间光调制器的尺寸和投影镜头的F/ # 相匹配。 在传统的非成像光学设计中 ,光源模型一般用朗伯光源进行模拟 ,很少基于实际的光源对照明系统建立kb体育平台 kb体育在线入口理论模型 ,所建立的模型对传统的空间光调制器要求已经足够。 但近几年发展起来的 DM D 和 LC oS技术对照明系统提出了 更高的要求 ,空间光调制器的小尺寸、高解析度等要求照明系统有更小的光学扩展量(E tendue 量)[2],图 1 匀光杆照明系统Fig. 1 Integrated rod illumination system.同时保证很高的光能利用率和均匀性。Etendue 量是非成像光学理论的重要概念 ,是拉氏不变量在三维空间的扩展 ,空间光调制器照明光束发散角为 的系统 Etendue 量为 :E调制器 =n2dxdydLdM =4sin2其中 A 为液晶光阀面积 , f 为光束的数值孔径。=A/4f2因此液晶投影系统的光源及照明区域的尺寸确定了 整个光学系统的初始 Etendue 量。 实际上光源的能量分布和光束形状的转换对 Etendue 量影响很大 ,对系统最终的均匀性和光学效率也有直接影响 。 而对于匀光杆模型 ,一般把问题的焦点集中在光束尺寸的转换上 ,而对光束形状的问题讨论较少。 在实践中 ,对于短弧灯照明的投影系统 ,照明系统的设计通常要求将圆形光束照射到矩形(长宽比 4∶ 3) 的空间光调制器上。 最简单的转换是用圆形光束将整个矩形覆盖 ,但是将近 40 %的光能量损失掉 ,而且无助于提高照明的均匀性 ,Etendue 量损失也很大。 光束形状变换可以理解成在不同切面上的二维 Etendue 量有不同系数的改变 ,结合 Etendue 量的概念 ,本文对这种照明系统进行了详细地阐述和分析。 最后 ,为应对光调制器尺寸的减小 ,提出了 一种组合反光镜设计模型 ,并且与传统的系统做出了对比说明 。