微透镜阵列的投影系统混光研究范文

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摘要：投影显示技术是信息社会的一个重要方面。本文主要对投影照明系统进行模拟和仿真。系统采用LED光源并以DLP投影照明的光路设计为核心，用TIR透镜对LED进行准直，采用双排整体微透镜阵列作为匀光器件，选用双凸透镜组合作为中继系统，最后在tracepro对整体光学器件和光路进行模拟和仿真，并分析投影系统的照度均匀度和光能利用率等。

关键词：投影系统；微透镜阵列；TIR透镜；LED；光学设计

1概述

投影显示运用光学系统将图像放大的一种光学显示装置，随着新技术的快速发展和人们需要的不断增长，投影产品的应用范围不断扩大，发展空间广阔。微型投影是一种具有体积小，高清晰度并且便携的设备，如今不仅仅用于个人娱乐办公，也逐渐应用于办公会议、家庭影院，已成为主流的显示方式之一。

2设计思路

基于微透镜阵列的投影系统主要分为三个部分准直系统、匀光系统、中继系统。采用LED作为光源并以DLP投影照明的光路设计为核心，用TIR透镜对LED进行准直，用MATLAB、Tracepro设计建模，在codev软件中优化设计，最后在Tracepro对整体光学器件和光路进行模拟和仿真，以到达较好的效果，并分析投影系统的照度均匀度和光能利用率等。

3系统建模

LED光源越来越多地应用于投影产业，在Tracepro中仿真LED光源，设置表面光源大小为1mmx1mm，光通量1lm，发散角±60°，朗伯分布。采用自由曲线TIR透镜作为准直器件。TIR透镜准直原理是TIR透镜的透镜部分对LED中间小角度光线进行透射处理，反光杯部分对大角度光线进行全反射处理，而达到准直效果。将透镜透射部分和反射部分的两条曲线进行公式推导，利用Snell定律推算出坐标关系后，使用matlab进行计算，拟合两条曲线的坐标点。再用建模软件拟合坐标点并且建立TIR透镜模型，最后模型导入Tracepro中进行光路仿真。基于微透镜阵列对投影照明系统进行匀光处理。微透镜阵列是由一系列小透镜阵列组合形成，采用双排微透镜阵列可应用于投影照明系统，并且可获得高能量利用率和高均匀度的光斑。设定单个微透镜半径R为3.3043mm，则焦距为10mm，长宽为2mm和1.5mm。从而可以使得在照射面上形成矩形光斑，并且经过微透镜阵列的能量利用率达到92.3%，且匀光效果较好，满足对光线匀光的需要。双排微透镜阵列将一个光源分割成多个光源，并且它的后排每个单元小透镜将前排小透镜的光束成像于无穷远，所以需要中继系统将光束成像于照射面上，而在照射面上形成均匀光斑。使用codev软件对中继系统进行设计，本文采用两块玻璃透镜的设计方案。据系统要求和之前公式计算，设定入瞳直径25mm，像高14mm，焦距32mm。玻璃采用BK7材料，建立初始结构后，对透镜的中心最大最小厚度透镜边缘最大最小厚度以及空气间隔进行约束后以波前差的标准进行优化，以达到需要的中继系统。

4投影照明系统模型建立与仿真

在建立好各个部分模型后，进行整体的系统匹配，在Tra-cepro对光学器件和光路进行模拟和仿真。自由曲面TIR透镜口径为24mm，采用PMMA材料。整体微透镜阵列采用12x16的阵列，两排微透镜阵列相互对称，单元小透镜的尺寸为2mm*1.5mm，焦距10mm，也采用PMMA材料。中继系统由两块透镜组成，将光束聚焦在DMD照射面上，整体系统的入瞳直径25mm，焦距32mm。材料为BK7玻璃。照射接受面的大小为15mm*20mm。

作者：厉强1；陈欣平1；石岩2；吴叶涛2 单位：1.横店集团得邦照明股份有限公司，2.中国计量大学光学与电子科技学院