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摘要：近年来，移动显示技术的发展使得微型投影逐渐成为一种个性化的消费方式。同时，伴随着大功率 LED 日渐成熟，以 LED 为光源的微型投影仪应运而生，其市场份额和受众群体也在逐年增大。微型投影仪是一种便携式图像信息显示设备，其中 DLP 是其中的主流投影技术，其核心器件是由德州仪器公司开发的数字微型器件（DMD）。基于 LED 光源的 DLP 投影系统主要包括照明和成像两个部分，其中照明部分是整个投影系统的光引擎。从 LED 发出的光在角空间的分布遵循余弦定律，不能直接用于投影照明系统。投影仪的照明部分又包括准直、匀光、合束、聚焦四个部分，作用就是对从 LED 发出的光进行准直和匀光，使得最后的光斑满足照明需求。
关键词：LED 光源；DLP；投影照明系统；设计；仿真
一、引言
过本项目的研究，使仪器可以得到更规则更均匀的光斑，使其更好的被后续利用。研究内容主要为DLP投影照明系统的研究现状的概述，发展方向，存在的问题；它的结构与工作原理，理论上的优化设计，与软件的仿真分析改善，用软件进行光学器件的模拟与光路仿真。采用 LED 光源，主要以 DLP 投影照明的光路设计为核心，对 DLP投影照明系统的原理非成像光学等理论进行概述。对 LED 的准直进行研究，分别采用 CPC、自由曲面 TIR 透镜进行准直，提出了一种基于微透镜阵列的 TIR透镜，系统匀光器件采用整体复眼透镜。分别使用 Matlab 和 Pro/Engineer 进行相关数据的计算以及相关器件的建模，并使用 Light Tools 和 Tracepro 对光学器件和光路进行模拟和仿真，最终得到了比较高的均匀度和光能传输效率，使得最终光学体积也大大缩小，从而实现了 DLP 投影系统的便携化。
二、DLP 投影照明系统的结构和原理
1.设计方法
DLP（数字光处理）投影技术，它是通过对输入的图像信号进行数字处理然后投影出来。DLP 投影技术的最基本器件是DMD（数字微镜器件），DMD 是一种结合光机械和电子机械的器件，由TI（美国德州仪器公司）开发专门用于DLP投影设备的芯片DLP投影系统通常根据采用DMD片数分为单片式和三片式，三片式DLP投影仪亮度比较高，由于采用多片DMD增加了成本，而且结构设计十分复杂，故在大多数场合下采用DLP单片式投影系统。单片式的DLP投影系统根据照明系统的出瞳与DMD器件的结构关系分为包括远心系统和非远心系统两种。当照明系统的出瞳在离DMD无穷远的位置时，此时为远心结构。非远心DLP投影系统一般不采用TIR棱镜用以分离照明光路和成像光路。
三、投影照明系统以及各个部分的设计与仿真
1. 光学拓展量
在理想光学系统中，如果系统入射光束的光学扩展量大于光学系统所能够允许通过的最大扩展量，则会引起能量的损失，那么必将会对所设计的光学系统最终的能量传输效率造成影响。在光束通过光学系统后，光束的光学扩展量有可能发生变化。如果光束的光学扩展量增加的话，那么后续的光学系统必须具有更大的扩展量，才能够避免能量的损失。所以，在投影显示光学系统中，各个器件各个部分的光学扩展量必须相互匹配才可以保证系统能够具有较高的能量利用率。
2.LED的准直
光源在整个投影显示照明系统中起着至关重要的作用，因为它直接决定着图像的亮度和投影在屏幕上的画质。分析CPC的原理，对CPC的集光角、轴向长度、入口以及出口半径等参数的相互关系进行推导，根据所推导的关系式代入数值进行计算，使用Tracepro软件建模并根据计算得到的值设定CPC的参数，得到CPC集光角在10°～17°范围内探测器上的照度和光强分布图。当集光角较小时，CPC的体积会比较大，所以不适合用于微型投影照明系统，而集光角在10°～17°时，CPC的体积可以满足微型投影仪对光学体积的要求，所得到的光束发散角在10°～15°。
3.投影照明系统的仿真
基于矩形微型透镜阵列的新型TIR透镜结构并建立了相关模型，并分别设置微型透镜长与宽之比为1：1、3：2、4：3，然后在保持长宽比例不变的情况下通过改变微型透镜的个数N和微型透镜后表面曲率半径R，在远场分别产生了与微型透镜对应比例——即长与宽比分别为1：1、3：2、4：3的矩形光斑，照度分布较为均匀且矩形轮廓清晰。此种透镜可尽可能地利用光能，避免了照明光斑与照明区域的不吻合造成的光能损失，同时又保证了较高的准直度（发散角为±15°）。
分析复眼透镜和光棒分别作为匀光器件的优点和缺点，在 Tracepro 中采用布林运算建立整体型复眼透镜的模型。得到的复眼透镜模型沿光轴的长度为 10mm，根据文献可知，矩形光棒均匀性随着光棒长度增加而增加，而矩形光棒长度为 100mm 时得到的照度均匀度为 80.3%，若得到 90%以上的照度均匀度则需要矩形光棒长度大于100mm，因此，为缩短照明系统在光轴方向的长度，在这里选用复眼透镜作为匀光器件。
实验结果与分析
通过对点光源和面光源的情况建立单通道光路的DLP投影照明系统，并分别得到了照度分布、光能传输效率等相关数据，对点光源和面光源进行了对比和分析，验证了自由曲面TIR透镜可以作为准直器件用于扩展光源的光路。然后，又建立了RGB三通道的DLP投影照明系统，亦分别采用理想点光源和2.09mm×1.87mm朗伯光源进行模拟，最终形成的光斑恰好覆盖0.55英寸的DMD芯片且留有余量，照度均匀度达到了95.7%。能够满足投影仪照明系统的需求。
实验成果：
主要采用 Tracepro 软件对基于 LED 的 DLP 投影照明系统进行设计和仿真。在准直部分对 CPC 的参数进行推导和计算并在 Tracepro 软件中建模和模拟，设计一种基于微型透镜阵列的 TIR 透镜结构，得到比较好的准直度，并确定采用此方法设计的 TIR 透镜作为系统的准直器件。
參考文献：
[1]根津祯，南庭. 投影仪将进入便携式设备
[2]刘峰，黄镇，陈丽，龙威，陈家森.基于 LED 的均匀照明投影光路设计
[3]芮大为.LED 微型投影光源的二次光学设计
[4]屈碧香.基于 RGB 三色 LED 光源照明的 DLP 投影系统光路设计
关键词：LED 光源；DLP；投影照明系统；设计；仿真
一、引言
过本项目的研究，使仪器可以得到更规则更均匀的光斑，使其更好的被后续利用。研究内容主要为DLP投影照明系统的研究现状的概述，发展方向，存在的问题；它的结构与工作原理，理论上的优化设计，与软件的仿真分析改善，用软件进行光学器件的模拟与光路仿真。采用 LED 光源，主要以 DLP 投影照明的光路设计为核心，对 DLP投影照明系统的原理非成像光学等理论进行概述。对 LED 的准直进行研究，分别采用 CPC、自由曲面 TIR 透镜进行准直，提出了一种基于微透镜阵列的 TIR透镜，系统匀光器件采用整体复眼透镜。分别使用 Matlab 和 Pro/Engineer 进行相关数据的计算以及相关器件的建模，并使用 Light Tools 和 Tracepro 对光学器件和光路进行模拟和仿真，最终得到了比较高的均匀度和光能传输效率，使得最终光学体积也大大缩小，从而实现了 DLP 投影系统的便携化。
二、DLP 投影照明系统的结构和原理
1.设计方法
DLP（数字光处理）投影技术，它是通过对输入的图像信号进行数字处理然后投影出来。DLP 投影技术的最基本器件是DMD（数字微镜器件），DMD 是一种结合光机械和电子机械的器件，由TI（美国德州仪器公司）开发专门用于DLP投影设备的芯片DLP投影系统通常根据采用DMD片数分为单片式和三片式，三片式DLP投影仪亮度比较高，由于采用多片DMD增加了成本，而且结构设计十分复杂，故在大多数场合下采用DLP单片式投影系统。单片式的DLP投影系统根据照明系统的出瞳与DMD器件的结构关系分为包括远心系统和非远心系统两种。当照明系统的出瞳在离DMD无穷远的位置时，此时为远心结构。非远心DLP投影系统一般不采用TIR棱镜用以分离照明光路和成像光路。
三、投影照明系统以及各个部分的设计与仿真
1. 光学拓展量
在理想光学系统中，如果系统入射光束的光学扩展量大于光学系统所能够允许通过的最大扩展量，则会引起能量的损失，那么必将会对所设计的光学系统最终的能量传输效率造成影响。在光束通过光学系统后，光束的光学扩展量有可能发生变化。如果光束的光学扩展量增加的话，那么后续的光学系统必须具有更大的扩展量，才能够避免能量的损失。所以，在投影显示光学系统中，各个器件各个部分的光学扩展量必须相互匹配才可以保证系统能够具有较高的能量利用率。
2.LED的准直
光源在整个投影显示照明系统中起着至关重要的作用，因为它直接决定着图像的亮度和投影在屏幕上的画质。分析CPC的原理，对CPC的集光角、轴向长度、入口以及出口半径等参数的相互关系进行推导，根据所推导的关系式代入数值进行计算，使用Tracepro软件建模并根据计算得到的值设定CPC的参数，得到CPC集光角在10°～17°范围内探测器上的照度和光强分布图。当集光角较小时，CPC的体积会比较大，所以不适合用于微型投影照明系统，而集光角在10°～17°时，CPC的体积可以满足微型投影仪对光学体积的要求，所得到的光束发散角在10°～15°。
3.投影照明系统的仿真
基于矩形微型透镜阵列的新型TIR透镜结构并建立了相关模型，并分别设置微型透镜长与宽之比为1：1、3：2、4：3，然后在保持长宽比例不变的情况下通过改变微型透镜的个数N和微型透镜后表面曲率半径R，在远场分别产生了与微型透镜对应比例——即长与宽比分别为1：1、3：2、4：3的矩形光斑，照度分布较为均匀且矩形轮廓清晰。此种透镜可尽可能地利用光能，避免了照明光斑与照明区域的不吻合造成的光能损失，同时又保证了较高的准直度（发散角为±15°）。
分析复眼透镜和光棒分别作为匀光器件的优点和缺点，在 Tracepro 中采用布林运算建立整体型复眼透镜的模型。得到的复眼透镜模型沿光轴的长度为 10mm，根据文献可知，矩形光棒均匀性随着光棒长度增加而增加，而矩形光棒长度为 100mm 时得到的照度均匀度为 80.3%，若得到 90%以上的照度均匀度则需要矩形光棒长度大于100mm，因此，为缩短照明系统在光轴方向的长度，在这里选用复眼透镜作为匀光器件。
实验结果与分析
通过对点光源和面光源的情况建立单通道光路的DLP投影照明系统，并分别得到了照度分布、光能传输效率等相关数据，对点光源和面光源进行了对比和分析，验证了自由曲面TIR透镜可以作为准直器件用于扩展光源的光路。然后，又建立了RGB三通道的DLP投影照明系统，亦分别采用理想点光源和2.09mm×1.87mm朗伯光源进行模拟，最终形成的光斑恰好覆盖0.55英寸的DMD芯片且留有余量，照度均匀度达到了95.7%。能够满足投影仪照明系统的需求。
实验成果：
主要采用 Tracepro 软件对基于 LED 的 DLP 投影照明系统进行设计和仿真。在准直部分对 CPC 的参数进行推导和计算并在 Tracepro 软件中建模和模拟，设计一种基于微型透镜阵列的 TIR 透镜结构，得到比较好的准直度，并确定采用此方法设计的 TIR 透镜作为系统的准直器件。
參考文献：
[1]根津祯，南庭. 投影仪将进入便携式设备
[2]刘峰，黄镇，陈丽，龙威，陈家森.基于 LED 的均匀照明投影光路设计
[3]芮大为.LED 微型投影光源的二次光学设计
[4]屈碧香.基于 RGB 三色 LED 光源照明的 DLP 投影系统光路设计