基于LED的微型投影儀光學(xué)引擎關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、投影顯示技術(shù)在人類生活和工作中發(fā)揮著重要的作用,然而,傳統(tǒng)的投影機(jī)一般以公斤計(jì)重,較大的體積也在一定程度上制約了其大眾接受度。如果能將龐大的投影機(jī)便攜化、微小化,則投影技術(shù)將進(jìn)一步滿足人們的使用要求。微型投影儀是應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)新興技術(shù),其重量和體積范圍必須滿足便于隨身攜帶的要求。光學(xué)引擎作為投影儀最核心的部件,能否將其做小是投影儀微型化的關(guān)鍵。光學(xué)引擎中最關(guān)鍵的組成部分又包括:光源與圖像顯示芯片、照明系統(tǒng)、投影系統(tǒng)。
　　目前,微

2、型投影儀的應(yīng)用產(chǎn)品分為獨(dú)立式和內(nèi)置式。對(duì)于便攜產(chǎn)品來(lái)說(shuō),尤其是作為內(nèi)嵌于其他電子產(chǎn)品中的配件,必須具備小尺寸、能耗低的特點(diǎn)。顯然,傳統(tǒng)的投影儀光源都無(wú)法適用于微型投影儀,而大功率LED光源則以其體積小、安全低電壓、壽命長(zhǎng)、電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)良特性成為微型投影儀的最佳光源。然而,由于投影儀光學(xué)引擎的光學(xué)元件較多,能量損耗較大,大部分微型投影儀產(chǎn)品的亮度輸出很低。提高LED流明效率是改善這一現(xiàn)狀的關(guān)鍵。本文從LED的

3、發(fā)光機(jī)制和光能損耗機(jī)制出發(fā),綜合論述了通過(guò)改善能帶結(jié)構(gòu)、芯片結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)來(lái)提高LED流明效率的研究。參考了水平電極芯片、垂直電極芯片和倒裝芯片的精確膜層結(jié)構(gòu),通過(guò)建模仿真的方式,對(duì)比了三類不同芯片結(jié)構(gòu)的出光效率。針對(duì)目前主流的平板形封裝,提出了在硅膠表面制作陣列微結(jié)構(gòu)改善出光效率的方法。
　　針對(duì)LED微型投影儀,本文提出了一套全新的基于自由曲面透鏡方案的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案克服了自由曲面折射面對(duì)于小出光角度配光設(shè)計(jì)存在

4、的缺陷,可以最大限度地收集光能量。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的擴(kuò)展光源問(wèn)題,我們?cè)诔跏冀Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。模擬結(jié)果顯示在光源尺寸為1.6×1mm2,顯示芯片尺寸為0.45英寸時(shí),優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以使得照明系統(tǒng)效率和目標(biāo)平面照度均勻度分別達(dá)到57％、92%。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示,自由曲面透鏡照明模塊替代一款商用微型投影儀照明模塊時(shí),光能利用率提高了23%。對(duì)比傳統(tǒng)的投影儀照明系統(tǒng)設(shè)計(jì),該套全新的自由曲面透鏡方案不僅可以獲得良好的光學(xué)性能,對(duì)于微型投影儀

5、來(lái)說(shuō),它更具有尺寸和重量上的巨大優(yōu)勢(shì)。
　　采用傳統(tǒng)的成像設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一款適用于微型投影儀的定焦投影物鏡。通過(guò)分析光學(xué)引擎內(nèi)部的實(shí)際構(gòu)成,提出了采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)以獲得長(zhǎng)的后工作距離,采用像方遠(yuǎn)心光路以提高主光線的能量利用率的投影物鏡設(shè)計(jì)方案。給出了投影物鏡技術(shù)參數(shù)的確定方法,包括系統(tǒng)焦距、最大視場(chǎng)、分辨率的具體計(jì)算方法。根據(jù)實(shí)際的要求確定了技術(shù)參數(shù)后,通過(guò)專利查找法找到了一個(gè)比較接近的投影物鏡專利。用zemax軟件輔助設(shè)計(jì),將其焦