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第33卷增刊Vol.33 Suppl.2007年11月OPTICAL TECHNIQUE文章編號(hào)：1002-1582(2007)S0327-02LED照明光場(chǎng)照度均勻性的研究間峰，孫文軍1，王淑英1，尹燕宗1，孟中2(1.哈爾濱師范大學(xué)理化學(xué)院，哈爾濱150025；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所航測(cè)部，長(zhǎng)春130022)摘要：提出了LED面板與梯形高反射率混光簡(jiǎn)相結(jié)合的勻光方法。單個(gè)LED作為近朗伯體發(fā)光，其光能輸出較低，且發(fā)散角較大，攤以直接利用。采用多個(gè)LD矩陣排列作為光源，增加了光源的有效發(fā)光面積和光通量。梯形混光簡(jiǎn)內(nèi)部各面鍍有高反射率膜，使得進(jìn)人混光筒內(nèi)部的光線無(wú)吸收的反射，最后充分混合輸出。調(diào)整梯形簡(jiǎn)的長(zhǎng)度可提高出射面上的光照度均勻性。利用Trac?Po軟件對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明出射面的照度均勻性大于90%，能量利用率大于65%，優(yōu)于F℉雙焦距光學(xué)系統(tǒng)，并且整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，成本不高。關(guān)健詞：應(yīng)用光學(xué)；LD陣列：梯形混光筒：光能利用率：照度均勻性中圖分類(lèi)號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AStudy of illuminance uniformity for LED illumination light fieldYAN Feng',SUN Wen-jun',WANG Shu-ying',YIN Yan-zong',MENG Zhong?(1.Harbin Normal University,Harbin 150025,China)(2.Changchun Institute of Optics,Fine mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130022,China)Abstract:A uniforming light algorithm based on trapezoid light mixing barrel is presented by for multi-LED illumination.The light energy output is less,the angle of divergency is larger for single LED.Multi-LED is used as illuminace light source,d by TracePro software show that the proposed uniforming light algorithm achieved higher uniformity at90%andbetter energy efficiency than FF two-focus optical system.In addition,the designed system is simple and easy to oome true.Keywords:aplied optics;light-emitting diode array;trapezoid optical mixing barrel;energy efficiency:illuminace uniformity0引言才能滿足投影顯示的要求。美國(guó)專(zhuān)利“LED-Illumination typeDMD projector and Optical System Theory"3)中介紹了一種目前在投影顯示系統(tǒng)中采用的光源大多為UHP(UltaLED陣列，它被用來(lái)作為光源的三片式的DLP(Digital Lighthigh pressure,短弧超高壓)汞燈。UP汞燈產(chǎn)生冷光，光效Processor)投影顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LED陣列作為光源，減高，在相同的功耗下產(chǎn)生的光通量大，光學(xué)擴(kuò)展量效率（即每小了體積和重量，延長(zhǎng)了壽命，通過(guò)點(diǎn)亮紅、綠，藍(lán)LED的占單位光學(xué)擴(kuò)展量的流明數(shù))也很高。由于UHP汞燈發(fā)光弧很空比和合色棱鏡來(lái)合成所需要的顏色。短，光學(xué)擴(kuò)展量較小，適用于微型投影儀。不過(guò)，UP汞燈存本文采用的多個(gè)LED與高反射率梯形混光簡(jiǎn)設(shè)計(jì)適合在一些不利于系統(tǒng)優(yōu)化的缺點(diǎn)：于DLP(Digital light processing,數(shù)字光學(xué)處理)系統(tǒng)的光源，(1)考命較短，一般標(biāo)稱(chēng)值為6000h。該系統(tǒng)在出射面獲得了很高的照度均勻性和能量利用率。該(2)使用一段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生明顯的亮度衰減。系統(tǒng)同樣適合于其他微顯示裝置。(3)光強(qiáng)的不均勻分布要求復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整。(4)無(wú)法快速啟動(dòng)。1梯形反射勻光系統(tǒng)1.1LED陣列泛的光電器件，如手機(jī)鍵盤(pán)背光、各種指示燈、顯示屏等。與單個(gè)LED的光通量只有幾十流明，雅以滿足投影顯示的UHP相比，LED的優(yōu)勢(shì)在于I:需要。為了增加光源的光通量，嘗試將多個(gè)LED矩陣排列成(1)LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，效率可達(dá)面板，作為投影顯示的光源，這樣既增加了光源發(fā)光的有效面80%一90%。積，也增加了光源的光通量，更適合作為投影顯示的光源。(2)發(fā)光色純度高。選擇LED光源時(shí)，要考慮LED的尺寸、排列方式，功率、(3)能耗小、壽命長(zhǎng)，光通量衰誠(chéng)到70%的標(biāo)稱(chēng)壽命為發(fā)光角度等問(wèn)題。梯形筒勻光系統(tǒng)的光源—一LED面板采用九個(gè)LED是3×3矩陣排列，如圖1所示。LED陣列位于(4)由于有環(huán)氧樹(shù)脂的封裝，防展性特別好，可靠耐面板的正中間，光源的主光線不會(huì)被梯形筒反射直接入射到用)。當(dāng)然，LD也存在著較大的劣勢(shì)，在實(shí)際的投影應(yīng)用出射面，減少了光能量的損失，同時(shí)可增加出射面中央大部分中，LED的光強(qiáng)度仍然很低，只有通過(guò)設(shè)計(jì)合理的照明系統(tǒng)的亮度。◆收稿日期：2007-05-09E-mail:yfyy1981@163.com基金項(xiàng)目：黑龍江省青年基金資助項(xiàng)目(QQ06C043):哈爾濱市青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(RFQXG055)作者簡(jiǎn)介：同峰(1981)，男，黑龍江省人，哈爾淀師范大學(xué)頸士研究生，主要從事影像光學(xué)與顯示技術(shù)方面的研究。327光學(xué)技第33卷增加LED排列的同時(shí)也會(huì)增的峰值相差不是很大?？紤]到系統(tǒng)最優(yōu)化，經(jīng)分析梯形筒長(zhǎng)加光源的光學(xué)擴(kuò)展量，所以不能一度在L=46.58mm時(shí)出射面的照度均勻性較好。取L=46.味的增加LED的排列，否則既會(huì)浪99958mm重新建立模型，增加光線數(shù)量，效果會(huì)更接近實(shí)際的情費(fèi)光能量，又會(huì)增加光源的散熱難度。采用Lumiled公司生產(chǎn)的lW人射光線經(jīng)過(guò)梯形簡(jiǎn)充分混合后投射出來(lái)，并在整個(gè)出射面的LED,封裝半球直徑約為5mm,考上得到照度均勻分布的光。慮到面板的尺寸和LED的散熱效根據(jù)ANSI/NAMP IT7,228-1997,對(duì)于投影機(jī)的9點(diǎn)測(cè)果，正方形面板邊長(zhǎng)為40mm,1ED試法而言，將照明面分成九個(gè)大小均等的矩形，測(cè)量時(shí)將照度間距為5mm。LED陣列可以采用陣排列方式計(jì)探測(cè)器位于每一個(gè)矩形的中心，將九個(gè)點(diǎn)的照度的平均值多種形式排列，每一種排列方式都作為整個(gè)照明面的平均值。由于只取九個(gè)點(diǎn)，得到的平均值會(huì)有不同的效果，最終目的是在照明面上達(dá)到較高的光強(qiáng)度只是一個(gè)近似的值，所以在計(jì)算過(guò)程中需對(duì)整個(gè)接收面所有和照度均勻性。點(diǎn)的照度采集值進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為1.2梯形筒的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的勻光方式大致可分為三種：積分球勻光法，光棒勻E=M×N(1)光法，新型反光鏡勻光法。積分球法光能損失大，光能利用率只有40%：方棒長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不利于投影儀的微型化設(shè)計(jì)；新型反光碗法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝難度大，無(wú)法做到實(shí)用。照明系統(tǒng)的U=1-(2)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)光能傳遞的控制，它屬于非成像光學(xué)的范疇，E它要解決的是在輻射傳遞過(guò)程中如何使傳遞能量最大化并且式中：E為照度采集值；E為照度的均值：M和N分別為照度得到所需要的照度分布4)。采集點(diǎn)的行數(shù)和列數(shù)；U為出射面照度的均勻性。經(jīng)計(jì)算，梯型混光簡(jiǎn)如圖2所示，所設(shè)計(jì)的梯形筒混光系統(tǒng)勻光效果很好，出射面均勻性優(yōu)于類(lèi)似于CPC(復(fù)合拋物聚光90%,能量利用率達(dá)到65%。器)51。在梯形筒底部放置LED發(fā)出的光線會(huì)有少部分反射到具有間察的面板上，LED面板光源，LED發(fā)出的光面板應(yīng)用高反射率材料，反射到面板上的光線經(jīng)面板再次反射而投向出射面方向，有少部分的光能損失。根據(jù)軟件模擬的反射，并進(jìn)行充分的混合。發(fā)現(xiàn)，有約2.84%的光線沒(méi)有人射到出射面，這是因?yàn)橛行㎜ED具有較大的發(fā)散角，光線角度的發(fā)射光線會(huì)在梯形簡(jiǎn)內(nèi)反復(fù)反射，實(shí)際應(yīng)用中這些光不集中，梯形簡(jiǎn)可以約束大角線都會(huì)被吸收，從而降低了能量的利用率。度的光線在簡(jiǎn)內(nèi)向底部反射，圖2梯形混光簡(jiǎn)要盡可能利用LED發(fā)出的光，可以使用一種地物面反射最終照射到梯形簡(jiǎn)的底器把每一個(gè)LED的發(fā)散光收集成平行光或小角度的發(fā)散光，部出射面。圖3給出了這在很大程度上減小了光束角度，充分的利用了LED的光梯形簡(jiǎn)內(nèi)的混光效果?？梢?jiàn)，梯形混光筒能夠3結(jié)論收集發(fā)散角較大的入射光線，且經(jīng)筒壁反射后投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)光源光束的整型，同得到小面積的照明，從時(shí)滿足出射面的照度均勻性要求。本文理論上計(jì)算模擬了梯而可使人射光輸出面積形筒的勻光效果，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)出射面照度均勻性特別好，優(yōu)的大小和形狀滿足要于90%，能量利用率達(dá)到了65%，能夠滿足投影儀對(duì)光源的求。圖3混光效果模擬要求。隨若制造工藝和技術(shù)水平的不斷提高，單個(gè)LED發(fā)光出射面的大小和形狀是一個(gè)為13.97mm的正方形。改功率會(huì)不斷地得到提高，發(fā)光效率會(huì)有很大的提升，進(jìn)而使采變梯形筒的長(zhǎng)度就可以改變光線在筒內(nèi)的反射次數(shù)，以闊節(jié)用該方法設(shè)計(jì)的光源光能輸出更大，同時(shí)又能減少LED的個(gè)底部出射面上的照度均勻性。在非成像投影顯示的照明中，數(shù)，使結(jié)構(gòu)小型化。研究的是如何獲得一個(gè)矩形的光能量均勻分布的光庭。應(yīng)用參考文獻(xiàn)：于不同場(chǎng)合的照明系統(tǒng)都需解決光能利用率和光能的二次分LEDs[J].Proc SPIE,2005,5740:1-12.布。由于梯形筒底部本身是一個(gè)正方形，出射光能夠在照明[2]王曉明.LED用于LCD背光源的前景展望[].現(xiàn)代顯示，2005，面上形成矩形光斑，因此不需要進(jìn)行光斑的轉(zhuǎn)換。7(53):24-28.2結(jié)果與分析and Optical System Thereof[P].US:6644814 B2.[4]李小燕，金尚忠，LQ0S微型投影機(jī)的LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代通過(guò)采用TracePro軟件對(duì)光線進(jìn)行追跡模擬可以獲得顯示.2006.12(70)：17一21.出射面各點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)值。根據(jù)各點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)，采用九點(diǎn)法計(jì)算出射面的照度均勻性。調(diào)制梯形簡(jiǎn)的長(zhǎng)度后，又可得技術(shù)，2006,4：52一56.到一個(gè)均勻性。最后利用Origin軟件畫(huà)出均勻性隨筒長(zhǎng)度的[6]Zou H,Schleicher A.Dean J.Design of LED Illumination System inLCOS Micro-Projector[Z].SID,05 DIGEST,2005.1698-1701.變化曲線。從曲線圖中可以看到，圖中顯示有多個(gè)波峰，相鄰328