數(shù)字微反射鏡的RGB三色LED照明系統(tǒng)研究

張云翠 劉龍 楊軼 曹冠英 張競輝 鄒念育

(1.大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所，遼寧大連 116034;2.大連東軟信息學(xué)院嵌入式系統(tǒng)工程系，遼寧大連 116023)

1 引言

隨著發(fā)光二極管 (LED)的效率持續(xù)快速提升以及高亮度LED芯片的加工與封裝技術(shù)的迅速成熟，RGB三色LED已經(jīng)面世并逐漸得到應(yīng)用。2005年，安捷倫科技公司 (Agilent)推出業(yè)界最薄的頂部發(fā)光 RGB三色 表面安裝 LED——HSMF-C114。這款厚度僅0.35mm的頂部發(fā)光RGB三色 片式LED據(jù)稱為首款在如此小的封裝中包含了紅綠藍(lán)芯片，它可用在超薄型手提產(chǎn)品，并有多種背景光色彩選擇［1-3］。

高光強、小體積使RGB三色LED光源成為投影儀、電視、顯示等儀器的新寵。各國相關(guān)的生產(chǎn)廠家都在積極研制采用RGB三色LED光源的新型儀器［4］。日本 Jun Ogawa研制的LEDRGB三色 投影系統(tǒng)的照明光源具有重量輕、尺寸小、使用壽命長等特點，在電視、投影儀等商業(yè)領(lǐng)域成為行業(yè)的領(lǐng)軍產(chǎn)品。2008年，韓國LG顯示器宣布開始量產(chǎn)供貨配備紅 (R)、綠 (G)、藍(lán) (B)三色 LED背照燈17.1英寸筆記本電腦寬屏平板。該面板色彩表現(xiàn)性為NTSC比105%，比現(xiàn)有的CCFL(冷陰管)型提高了40%，對比度也高了30%。目前，RGB LED背照燈已經(jīng)開始供應(yīng)液晶電視和個人電腦顯示器。

2 RGB三色LED光源

利用光學(xué)設(shè)計軟件LIGHTTOOLS進行照明系統(tǒng)設(shè)計，由于光源的特殊性，需要按照光源性能的參數(shù)對光源進行建模，RGB三色LED光源的模型如圖1所示。

圖1 RGB三色LED模型圖

四個單色LED發(fā)光芯片的尺寸分別0.8×0.8 mm2，單色光源分別為兩個藍(lán)色發(fā)光芯片，1個綠色發(fā)光芯片和1個紅色發(fā)光芯片，分布情況見圖1。光源出射角度為120°，出射光強度和光譜分表按表1提供的參數(shù)進行設(shè)定。

表1 RGB三色LED光源性能參數(shù)表

本文設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)采用的歐司朗公司2009年推出的光源，該光源具有光強更高、體積更小的特點。RGB三色LED光源性能是決定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要因素，該光源的性能參數(shù)如表1。

由表1可見，該款RGB三色LED的出射光亮度達(dá)到107數(shù)量級，單顆RGB三色LED光源可替代傳統(tǒng)的鹵鎢燈和多顆單色LED光源，同時輻射面面積為2×2 mm2，在體積上只有普通白光 LED的幾分之一，是傳統(tǒng)鹵鎢燈的幾十分之一。利用該光源設(shè)計投影儀、背投電視、大屏幕顯示等的照明系統(tǒng)可以使結(jié)構(gòu)簡化、體積減小、操作方便。

3 系統(tǒng)設(shè)計

LED作為投影系統(tǒng)光源也經(jīng)歷了從多顆單色LED光源到RGB三色LED光源的變革過程。前者采用分立的三種顏色的LED來滿足照明亮度和色彩的要求，利用蠅眼透鏡組進行光線出射方向的調(diào)整和控制。由于光源數(shù)量多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使LED光源照明的優(yōu)勢體現(xiàn)的不明顯。隨著RGB三色LED光源采用封裝在小尺寸的LED芯片組，替代多顆單色LED，大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使得照明系統(tǒng)發(fā)生根本變革［5］。

數(shù)字微反射鏡的RGB三色LED照明系統(tǒng)的作用是將光源發(fā)出的光線經(jīng)過導(dǎo)光管、會聚透鏡后會聚到反射鏡上，經(jīng)過反射鏡照射在數(shù)字微反射鏡上，實現(xiàn)彩色照明。該照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 RGB三色LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用單顆RGB三色LED替代傳統(tǒng)的鹵鎢燈光源及多顆單色LED光源使系統(tǒng)體積明顯降低;任意形狀的導(dǎo)光管設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)空間最合理分布;會聚透鏡將光線會聚到反射鏡后經(jīng)過反射鏡的光線照射到數(shù)字微反射鏡上，能夠有效避免光線直射，利于環(huán)保。

在RGB三色LED照明系統(tǒng)中，導(dǎo)光管由樹脂材料制成，可根據(jù)實際情況進行彎折，滿足空間分布的要求使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化。導(dǎo)光管對光線的傳輸作用的示意圖見圖3。

導(dǎo)光管對光線的傳輸作用與樹脂的折射率n有直接關(guān)系，樹脂材料的折射率為n=1.52，LED光源的出射角度為120°，在導(dǎo)光管的端面的光線偏折情況見圖3，光源發(fā)出的光線的最大入射角度θ1=60°，此時根據(jù)折射定理進入導(dǎo)光管的折射光線的折射角度θ2=35°，該方向光線到達(dá)導(dǎo)光管側(cè)壁的角度θ3=55°。根據(jù)全反射原理計算得到在側(cè)壁發(fā)生全反射的最大入射角度為42°，θ3>42°，光線在光導(dǎo)管側(cè)壁發(fā)生全反射，在導(dǎo)光管的輸出端射出。經(jīng)證明導(dǎo)光管在系統(tǒng)中不改變光源的出射角度，只起到光線傳輸?shù)淖饔谩?/p>

圖3

利用設(shè)計完成的RGB三色LED光源，并使用導(dǎo)光管改變光線的出射方向和角度，由導(dǎo)光管出射的光線作為會聚透鏡的入射光線，按照幾何光學(xué)的物象關(guān)系，確定透鏡的焦距和曲率半徑及反射鏡的位置，設(shè)計完成的數(shù)字顯微鏡照明系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4中給出了系統(tǒng)的主要組成部分，其中光源由RGB三色LED組成，設(shè)計參數(shù)滿足表1的要求，導(dǎo)光管部分可以任意改變長度和形狀控制出射光線的位置和出射角度，透鏡將導(dǎo)光管出射的光線進行會聚并均勻照射在反射鏡上。

4 結(jié)果分析

光源發(fā)出的光線經(jīng)過導(dǎo)光管和會聚透鏡照射在反射鏡上，會聚光斑的效果如圖5、圖6所示。圖5是光線到達(dá)反射鏡表面的照度分布圖，圖6是光線到達(dá)反射鏡表面的光強分布圖。由圖5可見光線在反射鏡上的照度分布均勻，該設(shè)計結(jié)果對實現(xiàn)整個顯示器的范圍內(nèi)均勻照明的有重要作用。

圖5 像面照度分布圖

圖6 像面光強分布圖

由圖6可見會聚在反射鏡上的光線光強具有單個峰值，說明光線會聚的能量集中可看做點光源，使光線經(jīng)過反射鏡后的出射光控制更加方便，系統(tǒng)簡化，同時由于使用導(dǎo)光管避免光線直射出去造成危害。

5 結(jié)論

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)RGB三色LED光源具有光強度高、體積小的特點，能夠替代傳統(tǒng)的鹵鎢燈和多顆單色LED光源，成為投影儀、液晶電視、電腦顯示屏等的新型照明光源。設(shè)計完成的照明系統(tǒng)與其它光源照明系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、體積降低、重量減輕、節(jié)能環(huán)保等特點。

［1］王聲學(xué)，吳廣寧，蔣偉.LED在背光照明中的應(yīng)用，燈與照明，VOL.31(2)(2007)，pp8～12

［2］黃娟，段谷青，曾陽素.二元光學(xué)技術(shù)制作背光照明系統(tǒng)導(dǎo)光板，邵陽學(xué)院學(xué)報，VOL.3(4)(2006)，pp38～41

［3］俞昭華，謝憬.LED大屏幕顯示補償技術(shù)，現(xiàn)代顯示，2008年第8期，pp48～53

［4］Jun Ogawa，Atsushi Katou.Led-illumination-type DMD projector and optical system thereof，US 2003/0133080 A1

［5］Israel J. Morejon， JinhuiZhai，Haizhang Li. Lightemitting-diode(LED)illumination system for a digital micro-mirror device(DMD)and method providing same，US 2006/0164607 A1