微型投影機(jī)中針對多色LED光源的反射環(huán)設(shè)計(jì)*

王飛霞，繆 華，張宇寧，王婕妤，李曉華*

（1.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096；2.解放軍國際關(guān)系學(xué)院信息管理中心，南京 210039）

微型投影機(jī)（Pico Projector）又稱便攜式投影機(jī)，將傳統(tǒng)龐大的投影機(jī)微型化、便攜化、實(shí)用化，使投影技術(shù)更貼近生活和娛樂［1-5］。其構(gòu)造主要由光學(xué)單元、散熱單元和電路單元等3個(gè)單元組成。光學(xué)單元是其核心單元，能直接決定投影機(jī)所能達(dá)到的畫面品質(zhì)［6］。光學(xué)單元由光源、顯示芯片和成像系統(tǒng)組成［7］。隨著投影機(jī)的微型化，投影技術(shù)的發(fā)展，人們對光源的要求越來越高，希望光源模塊小體積，并且得到高亮度的光束［8］。一般來說可以將三色LED芯片封裝在同一襯底上，這樣的光源具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，但是亮度低。將三色LED分開來封裝，并結(jié)合二向色濾光片，該組合具有亮度高的優(yōu)點(diǎn)，但是會增加體積［9］。本文研究并分析了（1）球形反射環(huán)、（2）繞拋物線過頂點(diǎn)的對稱軸旋轉(zhuǎn)得到的雙拋物面反射環(huán)和（3）繞過拋物線焦點(diǎn)并與頂點(diǎn)和焦點(diǎn)連線垂直的直線旋轉(zhuǎn)得到的雙拋物面反射環(huán)等3種反射環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)將三色LED封裝在同一襯底上，減小結(jié)構(gòu)尺寸并提高LED芯片處的亮度。

1 方法

圖1為圓形和拋物線反射示意圖。圖1（a）為圓形反射示意圖。O為圓心，A、B關(guān)于O點(diǎn)成中心對稱，從O點(diǎn)發(fā)出的光線到達(dá)D點(diǎn)后，反射回O點(diǎn)，從A點(diǎn)發(fā)出的光線到達(dá)C點(diǎn)后，反射到B點(diǎn)。圖1（b）為拋物線反射示意［10］。P1、P2為拋物線，焦點(diǎn)為O點(diǎn)，過頂點(diǎn)的對稱軸為L1，且P1、P2關(guān)于L2對稱。從O點(diǎn)發(fā)出的光線到達(dá)D點(diǎn)后，反射到E點(diǎn)，再反射到O點(diǎn)，從A點(diǎn)發(fā)出的光線到達(dá)C點(diǎn)后，反射到E點(diǎn)，再反射到A點(diǎn)，即對于圖1（b）所示的拋物線，對稱軸L1上位于封閉拋物線圈內(nèi)的任意一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)兩次反射后能夠回到該點(diǎn)。

圖1 圓形和拋物線反射示意圖。

將曲線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)，去掉不需要的部分，得到如圖2所示的反射環(huán)。圖2（a）為坐標(biāo)示意圖，圖2（b）為球形反射環(huán)，圖2（c）為雙拋物線繞對稱軸L1旋轉(zhuǎn)所得的反射環(huán)，圖2（d）為雙拋物線繞對稱軸L2旋轉(zhuǎn)所得的反射環(huán)。LED位于反射環(huán)開口較大的一面，即XY面，光線反射回LED的數(shù)量與孔徑（Aperture）的大小有直接關(guān)系，孔徑越小，返回的數(shù)量越多，光線最終從孔徑輸出（Output）給后面的器件。本文使用光學(xué)仿真軟件ZEMAX，對上述反射環(huán)進(jìn)行仿真。設(shè)置反射環(huán)開口較大的一面高度9 mm，較小的一面高度為5 mm。雙拋物線的頂點(diǎn)的曲率半徑為9 mm。

由上述圓形和拋物線的反射知識，可以推測對于圖2（b）所示的結(jié)構(gòu)，LED發(fā)出的光線經(jīng)過反射能夠到達(dá)與LED呈中心對稱的位置，適合在中心對稱的位置放置相同顏色和尺寸的LED芯片來提高亮度；對于圖2（c）所示的結(jié)構(gòu)，LED發(fā)出的光線經(jīng)過反射能夠到達(dá)與LED呈軸對稱的位置，適合在軸對稱的位置放置相同顏色和尺寸的LED芯片來提高亮度；而對于圖2（d）所示的結(jié)構(gòu)，LED發(fā)出來的光線經(jīng)過反射能夠到達(dá)LED本身，所以這種結(jié)構(gòu)對于不同位置的LED芯片的顏色和尺寸沒有特殊要求。

圖2 反射環(huán)示意圖。

2 模擬結(jié)果

通過光學(xué)軟件仿真模擬，得到如圖3所示的將4個(gè)綠色，尺寸為1 mm×1 mm的LED置于XY平面的中心時(shí)，距離LED芯片距離為0.01 mm處（可近似為光源所在平面）的真彩色“True Color”模式圖［11］，相比于偽彩色“False Color”模式圖，真彩色模式圖可以反映圖像的真實(shí)色彩。圖3（a）為無反射環(huán)時(shí)的真彩色模式圖，圖3（b）為雙拋物線繞L1軸旋轉(zhuǎn)所得的反射環(huán)的真彩色模式圖，圖3（c）為雙拋物線繞L2軸旋轉(zhuǎn)所得的反射環(huán)的真彩色模式圖，圖3（d）為這3種真彩色模式圖中中心點(diǎn)所在的水平截面的歸一化亮度圖。由圖易知，反射器對LED芯片處的亮度具有明顯的提高效果，在XY面中心處，兩種拋物面反射環(huán)的效果接近，但是在邊緣處，繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)的光線比繞L1軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)的光線較為分散。

圖3 距離LED芯片為0.01 mm處的光線真彩色模式圖和橫截面歸一化亮度分布圖。

圖4為將1個(gè)綠色，尺寸為1 mm×1 mm的LED置于XY平面時(shí)，距離LED芯片為0.01 mm處的真彩色模式圖，從左至右的四列分別是無反射環(huán)、球形反射環(huán)，繞L1軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)和繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)。圖4（a）中的LED中心位于X=0.5 mm，Y=0.5 mm處，圖4（b）中的LED中心位于X=1.5 mm，Y=0.5 mm 處，圖 4（c）中的LED中心位于X=1.5 mm，Y=1.5 mm處。由圖可見，反射后的圖與方法部分的推測接近，但是LED離XY面中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，其反射回來的光線越分散，對于繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)來說，其光線分散最為明顯。

圖4 單個(gè)LED位于XY平面，距離LED芯片為0.01 mm處的光線真彩色模式圖。

圖5 真彩色模式圖。

圖5所示為16個(gè)彩色LED置于XY平面時(shí)，距離LED芯片為0.01 mm處的真彩色模式圖，圖5（a）為無反射環(huán)，圖 5（b）為球形反射環(huán)，圖 5（c）為繞L1軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)，圖5（d）繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)。由圖5可見，繞L1軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)效果最好，周圍光線的分散較少，繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)次之，球形反射環(huán)效果最差。

圖6所示為球形反射環(huán)和繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)中，4個(gè)LED置于XY平面的中心點(diǎn)周圍，距離LED芯片為0.01 mm處的光線真彩色模式圖。圖6（a）、圖6（b）為對角處的LED顏色和尺寸相同時(shí)，無反射環(huán)和球形反射環(huán)中的光線真彩色模式圖，圖6（c）、圖6（d）為對角處的LED顏色，尺寸都不同時(shí)，無反射環(huán)和繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)中的真彩色模式圖。

圖7為圖6（c）、圖6（d）中上面兩個(gè)LED距離焦點(diǎn)所在水平線為0.25 mm處的橫截面歸一化亮度分布圖。由圖6、圖7可知球形反射環(huán)和繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)對于距離中心點(diǎn)較近的LED的反射效果較好，LED處的亮度都能得到明顯提高，且對于繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)來說，其任意一個(gè)LED對其他位置處的LED沒有影響。

圖6 真彩色模式圖。

圖7 4個(gè)彩色LED置于XY平面，距離LED芯片為0.01 mm處的橫截面歸一化亮度分布。

3 總結(jié)

本文研究并分析了3種不同的提高多色LED芯片處亮度的反射環(huán)。3種反射環(huán)對位于靠近焦點(diǎn)位置的LED都有較好的反射效果，能夠提高每個(gè)LED芯片軸對稱或中性對稱或自身位置處的亮度。但是對于球形反射環(huán)，處于中心對稱位置上的兩個(gè)LED芯片，需要顏色和尺寸相同，距離焦點(diǎn)稍遠(yuǎn)的位置，其反射效果不好，光線較分散；對于繞L1軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)，處于軸對稱位置上的LED芯片，需要顏色和尺寸相同，距離焦點(diǎn)稍微遠(yuǎn)的位置，仍有較好的反射效果；繞L2軸旋轉(zhuǎn)的雙拋物面反射環(huán)對LED芯片的顏色和尺寸皆無要求，位于反射環(huán)焦點(diǎn)周圍的LED芯片發(fā)出的光線能夠返回到其本身，且光線較為集中，非常適用于需要高亮度、小體積的微型投影機(jī)光源模塊。本文只是研究并分析了3種能夠提高LED芯片處的亮度的反射環(huán)，對于實(shí)現(xiàn)從孔徑輸出的光線的均勻照明還有待進(jìn)一步研究。

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王飛霞（1992-），女，漢，江蘇淮安，東南大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)，wfx@seu.edu.cn.；

李曉華（1961-），男，漢，浙江紹興，東南大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，從事電子顯示技術(shù)的教學(xué)與研究工作，lxh@seu.edu.cn。