微型投影機中針對多色LED光源的反射環設計*

王飛霞，繆 華，張宇寧，王婕妤，李曉華*

（1.東南大學電子科學與工程學院，南京 210096；2.解放軍國際關系學院信息管理中心，南京 210039）

微型投影機（Pico Projector）又稱便攜式投影機，將傳統龐大的投影機微型化、便攜化、實用化，使投影技術更貼近生活和娛樂［1-5］。其構造主要由光學單元、散熱單元和電路單元等3個單元組成。光學單元是其核心單元，能直接決定投影機所能達到的畫面品質［6］。光學單元由光源、顯示芯片和成像系統組成［7］。隨著投影機的微型化，投影技術的發展，人們對光源的要求越來越高，希望光源模塊小體積，并且得到高亮度的光束［8］。一般來說可以將三色LED芯片封裝在同一襯底上，這樣的光源具有結構簡單、尺寸小的優點，但是亮度低。將三色LED分開來封裝，并結合二向色濾光片，該組合具有亮度高的優點，但是會增加體積［9］。本文研究并分析了（1）球形反射環、（2）繞拋物線過頂點的對稱軸旋轉得到的雙拋物面反射環和（3）繞過拋物線焦點并與頂點和焦點連線垂直的直線旋轉得到的雙拋物面反射環等3種反射環，能夠實現將三色LED封裝在同一襯底上，減小結構尺寸并提高LED芯片處的亮度。

1 方法

圖1為圓形和拋物線反射示意圖。圖1（a）為圓形反射示意圖。O為圓心，A、B關于O點成中心對稱，從O點發出的光線到達D點后，反射回O點，從A點發出的光線到達C點后，反射到B點。圖1（b）為拋物線反射示意［10］。P1、P2為拋物線，焦點為O點，過頂點的對稱軸為L1，且P1、P2關于L2對稱。從O點發出的光線到達D點后，反射到E點，再反射到O點，從A點發出的光線到達C點后，反射到E點，再反射到A點，即對于圖1（b）所示的拋物線，對稱軸L1上位于封閉拋物線圈內的任意一點發出的光線經兩次反射后能夠回到該點。

圖1 圓形和拋物線反射示意圖。

將曲線繞對稱軸旋轉，去掉不需要的部分，得到如圖2所示的反射環。圖2（a）為坐標示意圖，圖2（b）為球形反射環，圖2（c）為雙拋物線繞對稱軸L1旋轉所得的反射環，圖2（d）為雙拋物線繞對稱軸L2旋轉所得的反射環。LED位于反射環開口較大的一面，即XY面，光線反射回LED的數量與孔徑（Aperture）的大小有直接關系，孔徑越小，返回的數量越多，光線最終從孔徑輸出（Output）給后面的器件。本文使用光學仿真軟件ZEMAX，對上述反射環進行仿真。設置反射環開口較大的一面高度9 mm，較小的一面高度為5 mm。雙拋物線的頂點的曲率半徑為9 mm。

由上述圓形和拋物線的反射知識，可以推測對于圖2（b）所示的結構，LED發出的光線經過反射能夠到達與LED呈中心對稱的位置，適合在中心對稱的位置放置相同顏色和尺寸的LED芯片來提高亮度；對于圖2（c）所示的結構，LED發出的光線經過反射能夠到達與LED呈軸對稱的位置，適合在軸對稱的位置放置相同顏色和尺寸的LED芯片來提高亮度；而對于圖2（d）所示的結構，LED發出來的光線經過反射能夠到達LED本身，所以這種結構對于不同位置的LED芯片的顏色和尺寸沒有特殊要求。

圖2 反射環示意圖。

2 模擬結果

通過光學軟件仿真模擬，得到如圖3所示的將4個綠色，尺寸為1 mm×1 mm的LED置于XY平面的中心時，距離LED芯片距離為0.01 mm處（可近似為光源所在平面）的真彩色“True Color”模式圖［11］，相比于偽彩色“False Color”模式圖，真彩色模式圖可以反映圖像的真實色彩。圖3（a）為無反射環時的真彩色模式圖，圖3（b）為雙拋物線繞L1軸旋轉所得的反射環的真彩色模式圖，圖3（c）為雙拋物線繞L2軸旋轉所得的反射環的真彩色模式圖，圖3（d）為這3種真彩色模式圖中中心點所在的水平截面的歸一化亮度圖。由圖易知，反射器對LED芯片處的亮度具有明顯的提高效果，在XY面中心處，兩種拋物面反射環的效果接近，但是在邊緣處，繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環的光線比繞L1軸旋轉的雙拋物面反射環的光線較為分散。

圖3 距離LED芯片為0.01 mm處的光線真彩色模式圖和橫截面歸一化亮度分布圖。

圖4為將1個綠色，尺寸為1 mm×1 mm的LED置于XY平面時，距離LED芯片為0.01 mm處的真彩色模式圖，從左至右的四列分別是無反射環、球形反射環，繞L1軸旋轉的雙拋物面反射環和繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環。圖4（a）中的LED中心位于X=0.5 mm，Y=0.5 mm處，圖4（b）中的LED中心位于X=1.5 mm，Y=0.5 mm 處，圖 4（c）中的LED中心位于X=1.5 mm，Y=1.5 mm處。由圖可見，反射后的圖與方法部分的推測接近，但是LED離XY面中心點越遠，其反射回來的光線越分散，對于繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環來說，其光線分散最為明顯。

圖4 單個LED位于XY平面，距離LED芯片為0.01 mm處的光線真彩色模式圖。

圖5 真彩色模式圖。

圖5所示為16個彩色LED置于XY平面時，距離LED芯片為0.01 mm處的真彩色模式圖，圖5（a）為無反射環，圖 5（b）為球形反射環，圖 5（c）為繞L1軸旋轉的雙拋物面反射環，圖5（d）繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環。由圖5可見，繞L1軸旋轉的雙拋物面反射環效果最好，周圍光線的分散較少，繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環次之，球形反射環效果最差。

圖6所示為球形反射環和繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環中，4個LED置于XY平面的中心點周圍，距離LED芯片為0.01 mm處的光線真彩色模式圖。圖6（a）、圖6（b）為對角處的LED顏色和尺寸相同時，無反射環和球形反射環中的光線真彩色模式圖，圖6（c）、圖6（d）為對角處的LED顏色，尺寸都不同時，無反射環和繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環中的真彩色模式圖。

圖7為圖6（c）、圖6（d）中上面兩個LED距離焦點所在水平線為0.25 mm處的橫截面歸一化亮度分布圖。由圖6、圖7可知球形反射環和繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環對于距離中心點較近的LED的反射效果較好，LED處的亮度都能得到明顯提高，且對于繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環來說，其任意一個LED對其他位置處的LED沒有影響。

圖6 真彩色模式圖。

圖7 4個彩色LED置于XY平面，距離LED芯片為0.01 mm處的橫截面歸一化亮度分布。

3 總結

本文研究并分析了3種不同的提高多色LED芯片處亮度的反射環。3種反射環對位于靠近焦點位置的LED都有較好的反射效果，能夠提高每個LED芯片軸對稱或中性對稱或自身位置處的亮度。但是對于球形反射環，處于中心對稱位置上的兩個LED芯片，需要顏色和尺寸相同，距離焦點稍遠的位置，其反射效果不好，光線較分散；對于繞L1軸旋轉的雙拋物面反射環，處于軸對稱位置上的LED芯片，需要顏色和尺寸相同，距離焦點稍微遠的位置，仍有較好的反射效果；繞L2軸旋轉的雙拋物面反射環對LED芯片的顏色和尺寸皆無要求，位于反射環焦點周圍的LED芯片發出的光線能夠返回到其本身，且光線較為集中，非常適用于需要高亮度、小體積的微型投影機光源模塊。本文只是研究并分析了3種能夠提高LED芯片處的亮度的反射環，對于實現從孔徑輸出的光線的均勻照明還有待進一步研究。

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王飛霞（1992-），女，漢，江蘇淮安，東南大學，碩士研究生，研究方向為物理電子學，wfx@seu.edu.cn.；

李曉華（1961-），男，漢，浙江紹興，東南大學，教授，博士生導師，從事電子顯示技術的教學與研究工作，lxh@seu.edu.cn。