LED照明光场照度均匀性的研究

闫峰1,孙文军1,王淑英1,尹燕宗1,孟中2

(1.哈尔滨师范大学理化学院,哈尔滨 150025;2.中国科学院长春光机所航测部,长春 130022)

摘 要:提出了LED面板与梯形高反射率混光筒相结合的匀光方法。单个LED作为近朗伯体发光,其光能输出较低,且发散角较大,难以直接利用。采用多个LED矩阵排列作为光源,增加了光源的有效发光面积和光通量。梯形混光筒内部各面镀有高反射率膜,使得进入混光筒内部的光线无吸收的反射,最后充分混合输出。调整梯形筒的长度可提高出射面上的光照度均匀性。利用TracePro软件对设计系统进行了模拟分析,结果表明出射面的照度均匀性大于90%,能量利用率大于65%,优于FF双焦距光学系统,并且整个系统结构简单紧凑,易于实现,成本不高。

关键词:应用光学;LED阵列;梯形混光筒;光能利用率;照度均匀性

StudyofilluminanceuniformityforLEDilluminationlightfield

YANFeng1,SUNWen2jun1,WANGShu2ying1,YINYan2zong1,MENGZhong2

(1.HarbinNormalUniversity,Harbin 150025,China)(2.ChangchunInstituteofOptics,FinemechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun 130022,China)

Abstract:Auniforminglightalgorithmbasedontrapezoidlightmixingbarrelispresentedbyformulti2LEDillumination.Thelightenergyoutputisless,theangleofdivergencyislargerforsingleLED.Multi2LEDisusedasilluminacelightsource,increasingeffectiveirradianceareaandlightenergyoutputforilluminancelightsource.Eachsideinthetrapezoidlightmixingbarreliscoatedbyhighreflectivityfilm,reflectingtheincidentrayswithoutabsorption,sufficientlymixingtheincidentlight.Theilluminationuniformityatoutputareaisimprovedbyadjustingofthelengthoftrapezoidmixingbarrel.Experimentalre2sultsanalyzedbyTraceProsoftwareshowthattheproposeduniforminglightalgorithmachievedhigheruniformityat90%andbetterenergyefficiencythanFFtwo2focusopticalsystem.Inaddition,thedesignedsystemissimpleandeasytocometrue.

Keywords:apliedoptics;light2emittingdiodearray;trapezoidopticalmixingbarrel;energyefficiency;illuminaceuniformity

0 引 言

目前在投影显示系统中采用的光源大多为UHP(Ultrahighpressure,短弧超高压)汞灯。UHP汞灯产生冷光,光效高,在相同的功耗下产生的光通量大,光学扩展量效率(即每单位光学扩展量的流明数)也很高。由于UHP汞灯发光弧很短,光学扩展量较小,适用于微型投影仪。不过,UHP汞灯存在一些不利于系统优化的缺点:

(1)寿命较短,一般标称值为6000h。

(2)使用一段时间会产生明显的亮度衰减。

(3)光强的不均匀分布要求复杂的光学系统来调整。

(4)无法快速启动[1]。

LED(Lightemittingdiode,发光二极管)灯是一种应用广泛的光电器件,如手机键盘背光、各种指示灯、显示屏等。与UHP相比,LED的优势在于[1]:

(1)LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,效率可达80%～90%。

(2)发光色纯度高。

(3)能耗小、寿命长,光通量衰减到70%的标称寿命为10万h。

(4)由于有环氧树脂的封装,防震性特别好,可靠耐用[2]。当然,LED也存在着较大的劣势,在实际的投影应用中,LED的光强度仍然很低,只有通过设计合理的照明系统才能满足投影显示的要求。美国专利“LED2IlluminationtypeDMDprojectorandOpticalSystemTheory”[3]中介绍了一种LED阵列,它被用来作为光源的三片式的DLP(DigitalLightProcessor)投影显示系统,该系统采用LED阵列作为光源,减小了体积和重量,延长了寿命,通过点亮红、绿、蓝LED的占空比和合色棱镜来合成所需要的颜色。

本文采用的多个LED与高反射率梯形混光筒设计适合于DLP(Digitallightprocessing,数字光学处理)系统的光源,该系统在出射面获得了很高的照度均匀性和能量利用率。该系统同样适合于其他微显示装置。

1 梯形反射匀光系统

1.1 LED阵列

单个LED的光通量只有几十流明,难以满足投影显示的需要。为了增加光源的光通量,尝试将多个LED矩阵排列成面板,作为投影显示的光源,这样既增加了光源发光的有效面积,也增加了光源的光通量,更适合作为投影显示的光源。

选择LED光源时,要考虑LED的尺寸、排列方式、功率、发光角度等问题。梯形筒匀光系统的光源———LED面板采用九个LED呈3×3矩阵排列,如图1所示。LED阵列位于面板的正中间,光源的主光线不会被梯形筒反射直接入射到出射面,减少了光能量的损失,同时可增加出射面中央大部分的亮度。

增加LED排列的同时也会增加光源的光学扩展量,所以不能一味的增加LED的排列,否则既会浪费光能量,又会增加光源的散热难度。采用Lumiled公司生产的1W的LED,封装半球直径约为5mm,考虑到面板的尺寸和LED的散热效果,正方形面板边长为40mm,LED间距为5mm。LED阵列可以采用多种形式排列,每一种排列方式都会有不同的效果,最终目的是在照明面上达到较高的光强度和照度均匀性。

1.2 梯形筒的设计

传统的匀光方式大致可分为三种:积分球匀光法,光棒匀光法,新型反光镜匀光法。积分球法光能损失大,光能利用率只有40%;方棒长度较长,不利于投影仪的微型化设计;新型反光碗法结构复杂,工艺难度大,无法做到实用。照明系统的设计主要是针对光能传递的控制,它属于非成像光学的范畴,它要解决的是在辐射传递过程中如何使传递能量最大化并且得到所需要的照度分布[4]。

梯型混光筒如图2所示,类似于CPC(复合抛物聚光器)[5]。在梯形筒底部放置LED面板光源,LED发出的光线被梯形筒四个内壁无吸收的反射,并进行充分的混合。LED具有较大的发散角,光线不集中,梯形筒可以约束大角度的光线在筒内向底部反射,最终照射到梯形筒的底部出射面。图3给出了梯形筒内的混光效果。可见,梯形混光筒能够收集发散角较大的入射光线,且经筒壁反射后得到小面积的照明,从而可使入射光输出面积的大小和形状满足要求。

出射面的大小和形状是一个为13.97mm的正方形。改变梯形筒的长度就可以改变光线在筒内的反射次数,以调节底部出射面上的照度均匀性。在非成像投影显示的照明中,研究的是如何获得一个矩形的光能量均匀分布的光斑。应用于不同场合的照明系统都需解决光能利用率和光能的二次分布。由于梯形筒底部本身是一个正方形,出射光能够在照明面上形成矩形光斑,因此不需要进行光斑的转换。

2 结果与分析

通过采用TracePro软件对光线进行追迹模拟可以获得出射面各点的照度数据值。根据各点的照度数据,采用九点法计算出射面的照度均匀性。调制梯形筒的长度后,又可得到一个均匀性。最后利用Origin软件画出均匀性随筒长度的变化曲线。从曲线图中可以看到,图中显示有多个波峰,相邻的峰值相差不是很大。考虑到系统最优化,经分析梯形筒长度在L=46.58mm时出射面的照度均匀性较好。取L=46.58mm重新建立模型,增加光线数量,效果会更接近实际的情况。采用90万条光线在TracePro软件中重新进行光线追迹,入射光线经过梯形筒充分混合后投射出来,并在整个出射面上得到照度均匀分布的光。

根据ANSI/NAMPIT7.22821997,对于投影机的9点测试法而言,将照明面分成九个大小均等的矩形,测量时将照度计探测器位于每一个矩形的中心,将九个点的照度的平均值作为整个照明面的平均值。由于只取九个点,得到的平均值只是一个近似的值,所以在计算过程中需对整个接收面所有点的照度采集值进行计算,其计算公式为

E=∑M×Ni=1EiM×N(1)

U=1-∑M×Ni(Ei-E)/M×NE(2)

式中:Ei为照度采集值;E为照度的均值;M和N分别为照度采集点的行数和列数;U为出射面照度的均匀性。经计算,所设计的梯形筒混光系统匀光效果很好,出射面均匀性优于90%,能量利用率达到65%。

LED发出的光线会有少部分反射到具有间隙的面板上,面板应用高反射率材料,反射到面板上的光线经面板再次反射而投向出射面方向,有少部分的光能损失。根据软件模拟发现,有约2.84%的光线没有入射到出射面,这是因为有些角度的发射光线会在梯形筒内反复反射,实际应用中这些光线都会被吸收,从而降低了能量的利用率。

要尽可能利用LED发出的光,可以使用一种抛物面反射器把每一个LED的发散光收集成平行光或小角度的发散光,这在很大程度上减小了光束角度,充分的利用了LED的光能[6]。

3 结 论

投影显示光学系统的设计主要是对光源光束的整型,同时满足出射面的照度均匀性要求。本文理论上计算模拟了梯形筒的匀光效果,所设计的系统出射面照度均匀性特别好,优于90%,能量利用率达到了65%,能够满足投影仪对光源的要求。随着制造工艺和技术水平的不断提高,单个LED发光功率会不断地得到提高,发光效率会有很大的提升,进而使采用该方法设计的光源光能输出更大,同时又能减少LED的个数,使结构小型化。