液晶投影機(jī)光棒照明系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào):100525630(2004)0420036205液晶投影機(jī)光棒照明系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)Ξ王蔚生竇曉鳴黃維實(shí)(上海交通大學(xué)光學(xué)工程研究所上海200030)摘要:提出了一種采用光棒為光積分元件、PBS棱鏡為偏振轉(zhuǎn)換元件的液晶投影機(jī)照明系統(tǒng)分析了影響照明系統(tǒng)性能的主要因素進(jìn)而提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)與實(shí)際取得了良好的一致。關(guān)鍵詞:光棒照明系統(tǒng)投影機(jī)中圖分類號(hào):TN873.93TH741.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAnalysisdesignof

2、opticaltunnellightingsystemfliquidcrystalprojectWANGWei2shengDOUXiao2mingHUANGWei2shi(InstituteofOpticalEngineeringShanghaiJiaotongUniversityShanghai200030China)Abstract:Alightingsystemforliquidcrystalprojectorbyusingopt

3、icaltunnelasopticalintegrationelementPBSprismaspolarizationelementisreportedinthispaper.Theprimaryfactorsthatinfluencethepropertiesofthelightingsystemareanalyzed.Thedesignmethodisgiven.Theresultthedesigngowell.Keywds:opt

4、icaltunnellightingsystemprojector1引言液晶投影顯示器具有體積小、重量輕、分辨力高、大畫面和無輻射等優(yōu)點(diǎn)可廣泛應(yīng)用于會(huì)議、商務(wù)活動(dòng)、教學(xué)和家庭娛樂等領(lǐng)域。作為影像領(lǐng)域中的新興產(chǎn)業(yè)近年來投影顯示器發(fā)展十分迅速。目前國內(nèi)的投影顯示器市場(chǎng)主要由國外品牌的產(chǎn)品占領(lǐng)價(jià)格較高即便低端產(chǎn)品的價(jià)格也在2萬元左右這種情況同國內(nèi)的個(gè)人平均消費(fèi)水平仍有一定距離。光學(xué)引擎是液晶投影顯示器的核心而照明系統(tǒng)則占據(jù)了光學(xué)引擎相當(dāng)大的一

5、塊成本。傳統(tǒng)的液晶投影機(jī)多數(shù)采用蠅眼透鏡(flylens)與PBS(polarizedbeamsplitter)陣列來構(gòu)成其照明系統(tǒng)[1]采用這兩種元件的投影機(jī)照明系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)緊湊性、光能量利用率等方面具有良好的性能但價(jià)格高、制作困難、初期投入大。開發(fā)成本低、性能適中、工藝簡單的投影機(jī)照明系統(tǒng)對(duì)于降低光學(xué)引擎的成本、并進(jìn)而降低液晶投影機(jī)的市場(chǎng)價(jià)格具有極大的意義。現(xiàn)介紹一種用于液晶投影機(jī)的新型照明系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)橢球面高壓汞燈(UHP燈)、光

6、棒、PBS棱鏡、可見波段帶通濾光片組成該照明系統(tǒng)具有初期投入小、價(jià)格低、工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)。第26卷第4期2004年8月光學(xué)儀器OPTICALINSTRUMENTSVol.26No.4August2004Ξ收稿日期:2003210223基金項(xiàng)目:上海市科委光科技行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(011661078)作者簡介:王蔚生(19672)男福建古田人副教授博士主要從事顯示技術(shù)和光學(xué)工程方面的研究。?19952006TsinghuaTongfangOp

7、ticalDiscCo.Ltd.Allrightsreserved.示)?？疾煲粋€(gè)入射自然光光束在遇到斜方棱鏡的第一個(gè)斜邊時(shí)由于該面鍍有偏振分光膜因此入射光分解為振動(dòng)方向平行于紙面(P光)和垂直于紙面(S光)的兩部分S光部分被反射再經(jīng)斜方棱鏡的另一斜邊反射后直接出射P光部分透過斜方小棱鏡的斜邊再透過半波片后出射在透過半波片時(shí)光束的振動(dòng)方向被半波片旋轉(zhuǎn)90轉(zhuǎn)換為S光。這樣就將全部入射光轉(zhuǎn)換為偏振光。由于只采用兩塊棱鏡組合結(jié)構(gòu)和技術(shù)難度比P

8、SB陣列簡單容易成本也將下降很多因此國內(nèi)大多數(shù)光學(xué)企業(yè)均可以生產(chǎn)。圖3PBS棱鏡的工作原理3照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1光棒照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)考慮照明系統(tǒng)是用于投影機(jī)的在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)必須服從投影機(jī)的整體要求投影機(jī)對(duì)照明系統(tǒng)的要求主要有:(1)照明面的形狀與尺寸。照明面必須與液晶板的形狀和尺寸相匹配(2)光場(chǎng)均勻度。投影機(jī)對(duì)輸出照度有一個(gè)整體均勻度的要求對(duì)照明系統(tǒng)均勻度必須優(yōu)于整體均勻度的要求(3)輸出光通量。投影機(jī)的輸出最大光通量是評(píng)價(jià)投影機(jī)

9、性能的主要指標(biāo)之一在考慮照明系統(tǒng)之后光路的各項(xiàng)損耗后可以提出對(duì)照明系統(tǒng)輸出光通量的要求照明系統(tǒng)必須滿足這一要求(4)輸出光的F數(shù)。照明系統(tǒng)的用于投影機(jī)整機(jī)其輸出光除了不可避免的損耗外要盡可能多的利用上必須和后續(xù)光路配合以保證光能量得到充分利用主要通過照明系統(tǒng)與投影機(jī)鏡頭的F數(shù)間的匹配來達(dá)到。此外還有孔徑匹配等方面的考慮。對(duì)于投影機(jī)光棒照明系統(tǒng)來說光棒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)投影機(jī)的總體性能有決定性的影響在計(jì)算中主要考慮以下幾方面的因素:(1)入射光

10、場(chǎng)在光棒入射端面的面分布(2)入射光場(chǎng)在進(jìn)入光棒后的角分布(3)光棒的端面形狀(4)光棒的長度(5)光棒采用的介質(zhì)可以采用玻璃的實(shí)心棒也可以采用側(cè)面為良好反射面的空心棒。3.2能量利用率在光棒照明系統(tǒng)中影響能量利用率的因素主要有兩個(gè)方面:一方面是光棒輸入端的光耦合效率它是光源輸出光進(jìn)入光棒的效率。光棒的輸入端位于光源橢球面的第二焦點(diǎn)處該點(diǎn)的光場(chǎng)是具有一定大小的光斑圖4是對(duì)一種橢球面UHP燈第二焦點(diǎn)處實(shí)際測(cè)量得到的光場(chǎng)分布顯然光棒的端面尺

11、寸越大能夠進(jìn)入光棒的光能量越多耦合效率越高反之則越低。另一方面是光棒輸出光的角度利用率它是光棒輸出光能夠?yàn)楹罄m(xù)光路所利用角度范圍內(nèi)的光能量與光棒輸出光能量的比值這一比值與后續(xù)光路的拉氏不變量有關(guān)在給定后續(xù)光路的拉氏不變量的情況下光棒的端面越小能夠利用的光束角度范圍則越大即減小光棒的端面尺寸有利于增大光束的角度利用率這同光棒輸入端的光耦合效率是矛盾的。在不考慮其他能量損耗的情況下光棒照明系統(tǒng)的總能量利用率是上述兩個(gè)效率的乘積設(shè)計(jì)中主要是平