基于多球面封裝透鏡的LED 微型投影儀的光源設(shè)計(jì)*

芮大為，祁康成 ，林祖?zhèn)?，陳文彬，?旖，李國(guó)棟

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院顯示科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610054)

近年來(lái)，隨著微型投影儀制造工藝的不斷進(jìn)步，提高其光能利用率成為重要的技術(shù)突破點(diǎn)。采用LED 的微型投影儀光源，通常由反光碗、聚光透鏡及準(zhǔn)直透鏡組合而成［1－3］。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光學(xué)表面的損耗難以控制，使得光源對(duì)LED 芯片的收集效率一般不超過(guò)70%［4－7］。同時(shí)，由于對(duì)邊緣光線的聚集能力不足，出射光束的發(fā)散角難以被壓縮，光學(xué)擴(kuò)展量較大。近年來(lái)興起的自由曲面透鏡雖然在理論上能較好地提高收集效率、準(zhǔn)直特性以及照明均勻性，但是對(duì)于微投影光源這類(lèi)微光學(xué)加工器件，尚不具備成本和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。于是如何設(shè)計(jì)LED封裝透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)以尋求器件體積、加工難度和收集效率三者之間的平衡，是目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，綜合考慮LED 的朗伯分布特性［8］、加工精度以及光學(xué)引擎對(duì)體積的苛酷要求，本文設(shè)計(jì)了由若干組規(guī)則球面組合而成的封裝透鏡，將LED裸芯片的朗伯分布光線，按其發(fā)散角度劃分后進(jìn)行剪裁式收集，同時(shí)將LED 一次封裝和二次光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了整合，極大地提高了光能收集效率，簡(jiǎn)化了光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 基于多球面封裝透鏡的光源設(shè)計(jì)

1.1 微型投影機(jī)對(duì)LED 光源的總體［7］要求及應(yīng)對(duì)策略

(1)光收集效率 光源的收集效率是光源出射光功率與芯片輻射光功率的比值，表征光學(xué)組件對(duì)芯片的收集能力，是光學(xué)引擎乃至整機(jī)最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)光收集效率最大化是本設(shè)計(jì)的基本原則。

(2)出光發(fā)散角 光源的發(fā)散角指透鏡出射端到后級(jí)光學(xué)系統(tǒng)之間近場(chǎng)范圍內(nèi)的發(fā)散角度。由于光源到勻光器件之間有一定的工作距離，為保證后級(jí)系統(tǒng)的有效照明，要求近場(chǎng)發(fā)散角盡可能小，光束近準(zhǔn)直狀態(tài)，且光線之間的角度一致性盡量地高。然而當(dāng)LED 芯片相對(duì)于小尺寸透鏡應(yīng)視為面光源，受光學(xué)加工精度的制約，光源出射光線間角度一致性不易控制，因此如何平衡近場(chǎng)照明距離與光線出射角度之間的關(guān)系是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

(3)光學(xué)擴(kuò)展量［10］作為光束幾何尺寸和空間存在方式的度量，光學(xué)擴(kuò)展量在整個(gè)光學(xué)引擎?zhèn)鬟f過(guò)程中，滿足保持不變或略有增加這一規(guī)律，且要求光源的光學(xué)擴(kuò)展量不能大于系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展量。因此光源的一個(gè)設(shè)計(jì)原則就是在保證光效的前提下盡可能壓縮光學(xué)擴(kuò)展量。面光源光學(xué)擴(kuò)展量應(yīng)滿足下式

其中，S光源為光源的有效發(fā)光面積，NA 為光源出射光束的數(shù)值孔徑，n 為光傳播介質(zhì)折射率，θ1/2是光源出射光束的發(fā)射半角。

(4)體積 受微投影儀整機(jī)體積的限制，光源橫截面最大處直徑不超過(guò)10 mm，這同時(shí)給提高收集效率和壓縮出射角度提出了更嚴(yán)格的要求。

(5)可加工性與成本 綜合考慮光學(xué)指標(biāo)以及光學(xué)精加工的難度，使得自由曲面、非球面等復(fù)雜的面型結(jié)構(gòu)難以應(yīng)用于實(shí)際加工。為保證取光效率等光學(xué)性能，采取球面組合的方式設(shè)計(jì)裸芯片的光學(xué)封裝透鏡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低成本的可加工性。

1.2 光源設(shè)計(jì)方案

三基色LED 各使用一個(gè)單透鏡，通過(guò)兩組二向色鏡實(shí)現(xiàn)空間范圍內(nèi)的合光。LED 驅(qū)動(dòng)方式采用時(shí)間混色法，將三基色LED 總驅(qū)動(dòng)時(shí)間劃分為各單色光的驅(qū)動(dòng)時(shí)間之和，即利用人眼的視覺(jué)暫留特性，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)全彩混色。各單色LED的驅(qū)動(dòng)功率依據(jù)色匹配原則［8，11］及芯片的流明效率加以確定。三基色的模擬波長(zhǎng)分別為650 nm，530 nm，480 nm。單色光源由帶基座的LED 芯片和多球面封裝透鏡組成。LED 芯片為1 mm×1 mm 的前表面發(fā)光的面光源，光場(chǎng)的分布角為180°。芯片與透鏡之間的空間以硅膠填充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電極和引線的封裝固定。

透鏡的光提取與分配的總體思路是，將LED 近180°分布的光場(chǎng)剪裁為兩部分:即中心的小角度發(fā)散光錐與邊緣的大角度光線。二者在透鏡內(nèi)分別經(jīng)不同光路轉(zhuǎn)換為近準(zhǔn)直光線，并且在透鏡的出射端合為一路，在確保二者交界處光線的均勻過(guò)渡的基礎(chǔ)上提高光收集效率。照明光斑的均勻性由后級(jí)的勻光系統(tǒng)保證［12］。

取透鏡子午面位于第一象限的部分進(jìn)行具體分析，如圖1 所示。透鏡的光學(xué)表面由S1～S5組成，其中S1、S2和S5為球面，S3為拋物面，S4為平面。S2的球心、S3的焦點(diǎn)和LED 芯片發(fā)光面中心三者重合，且與S1和S5的球心共線于主光軸。將90°的分布半角分割為小角度光錐α 和大角度光線β，α 角內(nèi)的光線先后經(jīng)S1和S2的折射轉(zhuǎn)化為近準(zhǔn)直光線;β 角內(nèi)的光線經(jīng)S2的垂直透射、S3的全反射及S4的折射也轉(zhuǎn)化為近準(zhǔn)直光線，并與前者合為一束。

圖1 多球面透鏡結(jié)構(gòu)與光路示意圖

為了最大限度提高光收集效率，在光學(xué)面的數(shù)量既定的前提下，需要減小反射及透鏡內(nèi)的光程以降低傳播損耗。各光學(xué)表面的設(shè)計(jì)均在這一原則的指導(dǎo)之下進(jìn)行。首先，S2為以芯片發(fā)光中心為球心的球面，可以使得β 范圍內(nèi)的光線近乎垂直入射到透鏡內(nèi)部，減小反射損耗。其次，S3外表面鍍以全反射光學(xué)薄膜，將位于拋物面焦點(diǎn)處的入射光較高效地反射為近平行光線。對(duì)于透鏡的邊緣厚度d1和中心厚度d2，也盡量減小以降低傳播損耗。S1和S2的曲率半徑r1和r2由透鏡材料折射率、α 和β 值以及出射光線的準(zhǔn)直性加以確定，其方法是，以α 和β 角的分界線作為極限光線進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合透鏡厚度以及對(duì)出射的兩路光線在合成界面均勻過(guò)渡的要求。利用斯涅爾定律和平面解析幾何的相關(guān)原理，經(jīng)迭代得到透鏡邊緣與中心厚度的基本表達(dá)式為:

其中，αo1是以角入射的邊緣光線在S4和S5的交界處的出射光線相對(duì)于S5的折射角，r5是S5的曲率半徑，d0是芯片中心與S1的距離。面型的確定采用工程近似原則，由LED 面光源的兩條邊緣光線及經(jīng)過(guò)幾何中心的光線三者分別求解后進(jìn)行加權(quán)而得以確定。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化，得到了取光效率與發(fā)散角等光學(xué)參數(shù)之間的平衡。

2 模擬仿真與性能參數(shù)

采用TracePro 軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模和光線追跡。圖2 是單色LED 多球面封裝透鏡的三維框架圖，經(jīng)優(yōu)化所得的多球面組合的LED 封裝透鏡最大外徑為9.4 mm，滿足微型投影儀光學(xué)引擎的體積要求。圖3 是基于三基色LED 光源的照明光路模型。照明光路的實(shí)現(xiàn)方式是，RGB 三色LED 分別經(jīng)各自的封裝透鏡，出射近準(zhǔn)直的照明光束。兩組與水平面成±45°角二向色鏡對(duì)入射的三基色照明光束分別進(jìn)行如下調(diào)制:對(duì)左側(cè)入射的紅光給予完全透射;上方入射的綠光經(jīng)－45°二向色鏡全反射后由+45°二向色鏡透射，對(duì)下方入射的藍(lán)光給予全反射，最終在+45°二向色鏡的出射面將三基色照明光斑合為一束，完成空間范圍內(nèi)的混色，從而傳遞給前后兩級(jí)復(fù)眼透鏡進(jìn)行勻光與光斑整形(整形為矩形)。

圖2 多球面透鏡三維框架圖

圖3 三基色光源的排布及照明光路

經(jīng)軟件光線追跡，加以輔助計(jì)算得到了LED 光源的各項(xiàng)性能參數(shù)，如表1 所示。

表1 LED 光源光學(xué)特性

單色光的光收集效率均達(dá)到94.9%;在紅、綠光源出射端與前復(fù)眼透鏡前表面33 mm 的工作距離之間，光源出射光束的發(fā)散角小于4°，且光線之間的角度一致性在±9°內(nèi);相應(yīng)地，光源的光學(xué)擴(kuò)展量小于14.5 sr/mm2;照射至前復(fù)眼透鏡的單色光最高光效為91.3%。結(jié)合圖4 所示的前復(fù)眼透鏡的入射面所接收到的光源照明光斑的照度圖以及圖5所示的直角坐標(biāo)配光曲線進(jìn)行分析，可知，三基色的合成光源在前復(fù)眼透鏡的前表面產(chǎn)生的照明光斑，其有效照明面積集中在直徑13 mm 的圓形區(qū)域內(nèi)，其照明均勻性達(dá)88.7%，極大地減輕了復(fù)眼透鏡的勻光壓力。

圖4 前復(fù)眼入射面的照明光斑照度圖

圖5 照明光斑配光曲線

3 結(jié)論

本光學(xué)設(shè)計(jì)完成了對(duì)微型投影儀LED 光源的多球面單透鏡的三維建模、光路模擬以及光學(xué)性能分析。雖未采用現(xiàn)今流行的自由曲面等設(shè)計(jì)方法進(jìn)行偏微分求解，但采用基本光學(xué)定律及工程近似方法在設(shè)計(jì)上取得了光學(xué)性能與可加工性之間的平衡。以組合球面的單透鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)朗伯源的收集與分配，取光效率達(dá)94.9%，相對(duì)于傳統(tǒng)聚光方式有了較大提高，并且壓縮了光源的光學(xué)擴(kuò)展量，降低了透鏡的光學(xué)加工難度。將LED 光源的一次封裝與二次光學(xué)設(shè)計(jì)整合為一體，簡(jiǎn)化了光源結(jié)構(gòu)，同時(shí)也進(jìn)一步有助于光效的提升?？梢?jiàn)，在倡導(dǎo)綠色節(jié)能的今天，隨著光源取光效率與整機(jī)光效的提升，微型投影儀將具備更持久的續(xù)航時(shí)間以及更蓬勃的生命力。

［1］ Murat H，Cuypers D，DE Smet H. Design of New Collection Systems for Multi LED Light Engines［C］//SPIE，2006，6196:619604.1－619604.11.

［2］ 閆峰，孫文軍，王淑英，等. LED 照明光場(chǎng)照度均勻性的研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33(suppl):327－328.

［3］ Pan Jui－Wen，Tu Sheng－Han. High Efficiency Pocket－Size Projector with a Compact Projection Lens and a Light Emitting Diode－Based Light Source System［J］.Applied Optics，2008，47(19):3406－3414.

［4］ 邱崧，王蔚生，王淑仙，等. 基于LED 光源的DLP 光學(xué)引擎的光學(xué)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31(6):1712－1719.

［5］ 甄艷坤，李巖，白燕.TIR 透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)在LED 微投影顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用光學(xué)，2009，30(3):366－371.

［6］ Harbers G，Paolini S，Keuper M. Performance of High－Power LED Illuminators in Projection Display［J］. Display Technol，2007，3(2):100－105.

［7］ 趙星，方志良，崔繼承.微型投影機(jī)光學(xué)引擎的研究［J］. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(5):913－918.

［8］ 金偉其，胡威捷.輻射度光度與色度及其測(cè)量［M］:第一版.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006:6－30，112－158.

［9］ 王蔚生，姜維，竇曉鳴. 用于投影機(jī)的發(fā)光二極管照明單元［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(6):855－859.

［10］ Murat H，Smet H D，Cuypers D，et al.Increased Lumens Per Etendue by Combining Pulsed LED’s［C］//SPIE，2005，5740:1－12.

［11］ 遲澤英，陳文建.應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2008:260－297.

［12］ 楊毅，錢(qián)可元，羅毅.一種基于非成像光學(xué)的LED 均勻照明系統(tǒng)［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33(1):110－115.