基于改进后的科勒照明的LED投影显示
摘要
一般情况下，普通的投影光学系统都使用科勒照明系统来达到所需的照明要求。这些系统通常不能够实现紧凑的光学结构和高腔输出。本文在传统科勒照明的基础上，提出了一种基于LED投影显示的，经过改进的科勒照明系统，该系统能够在保证充分且均匀照明的同时，显著地减小系统体积。在此基础上，我们设计并分析了一种物理尺寸为27.4mm、19.4mm、9.6mm的袖珍型CF-LCoS投影仪。与传统方法相比，这种设计可以在其他参数的允许范围内减少平均43%的体积。据我们所知，它的屏幕均匀性为90.2%，光利用率为56.5%，与目前已经商业化的袖珍型CF-LCoS投影机相比具有很大的竞争力。
正文
目前，通信系统和便携式设备的发展极大地丰富了我们的日常生活。这些通信方式的发明使信息传递变得简单方便。然而，便携式设备的小型化仍是当前迫切需要的，而投影显示系统就是其中之一。到目前为止(据我们所知)，已经有两种被广泛采用的袖珍型投影机：基于LCoS的投影仪和基于DMD的投影仪。小型成像器件的尺寸和高像素数对于袖珍型投影仪来说是至关重要的。这两个特性都是适用于下一代数字投影系统的高分辨率和小占用面积的显示应用程序所必需的。对于商业应用来说，基于CF-LCoS的袖珍型投影机由于其固有的十分简单光学结构和颜色产生机制，是一个很有发展前景的产品。目前，用一种紧凑的发光二极管(LED)作为光源来代替传统的白炽灯泡这种做法，既节约了电力，又缩短了开关的延迟时间。通过将LED光源与基于CF-LCoS的投影系统相结合，整个光学引擎的尺寸得以减小。此外，集成在LCoS芯片上的彩色滤波器意味着可以由单个白色LED来产生基本的颜色（红光、绿光、蓝光），而不是经过复杂的过滤程序。
在给定一定的光源发光效率的情况下，照明系统是决定投影仪光学性能和物理尺寸的一个关键因素。照明系统通常包括光源、成像调制组件、棱镜和图像存储面板。照明系统的目标是在显示面板上产生充足且均匀的照明，其中最常用的是科勒照明。传统的科勒照明发展出了两种投影显示方法：光积分器法和透镜阵列法。基于光积分器法，投影仪的均匀性与其光积分器的长度成正比。同样的，带有透镜阵列的均衡器能根据微透镜的数量来确定系统的均匀性。但是，对透镜阵列进行加工以及保证加工精度是比较困难的。通过对这两种传统照明系统的分析，可以发现它们有一个共同之处：内部需要一个中继镜头系统。由均衡器产生的光源的中间图像位于光积分器或微透镜阵列的末端。采用中继透镜系统对中间图像进行传输可以实现显示面板上的重叠照明。换句话说，对紧凑性和简单光学结构的要求使得传统的科勒照明对于口袋大小的投影机来说不是一个合适的选择。
为了给传统的科勒照明系统提供一个合适的解决方案，我们提出了一种有效的照明系统设计方法，即改进后的科勒照明系统。它可以在显著降低系统复杂度的同时满足光学要求。在光学引擎的照明部分中，我们只使用两个紧凑型透镜，从而取了传统的科勒照明光学系统，不再需要中继镜头系统。首先设计了一个聚光透镜来采集由LED发出的蓝光，并且限制了照明光束的宽度，然后引入一个光束整形透镜来控制CF-LCoS面板的照明场和半视角。聚光透镜是进入接下来其它系统的入射光线的共同入口处。该光束整形透镜可以进一步将更多的入射光线定向会聚到目的地，从而提高系统的效率。建立了LED均匀光强分布与LCoS面板照明的映射关系，即从LED表面各点发出的光线可以照射到CF-LCoS面板的工作区域。这确保了投影显示的同质性，保证了成像的质量。通过使用这种改进的科勒照明系统，我们设计并演示了一种用于个人使用的口袋大小的投影仪，以提供高性能的同时占用较少的空间。
调试科勒照明系统的描述
如图1所示，CF-LCoS照明系统的组件包括LED源、透镜组、偏振分束器(PBS)和CF-LCoS图像存储面板。即使LED光源的照度分布可能是不均匀的，实际上光源的强度分布也是均匀的。这一特性被用于改进的科勒照明系统的设计中。LED发射光线由透镜I(即，会聚透镜)收集。透镜的孔径限制了所收集的光线束的宽度。它还确定进入照明系统并到达目标平面的任何给定点的光通量。透镜II(即光束整形透镜)位于透镜I后面，它的作用是控制LCoS面板的照明场和半视角。透镜II的表面曲率和孔径尺寸限制了入射束到达目的平面的场的范围。虽然上述系统仍然遵循科勒照明原理，但是人们可以发现这样的设计可以适当地减少系统体积，同时还能保证充足的以及均匀的照明。这正是我们提出这个改进机制的原因。在图1中描绘了LED的均匀强度分布和LCoS面板上的照明的映射关系。来自LED光源每一个点发射出来的每一条光线束都可以在通过透镜组后填满整个显示屏。给定一个远离光源的三维空间，在这个小区域上的照度分布与通量产生的位置无关。这倾向于在光源的强度分布的部分上提供均匀性。直接辐射和来自LED光源的光通量成为改进后的科勒照明系统的有效映射源。因此，这种映射方法确保了投影显示器的均匀性
使用了光学仿真软件的TracePro功能来描述了所提出的光学系统的特性。由于扩展朗伯光源的性质，LED芯片的发射角度仍然如此之大，以至于传统的光学元件不能有效地收集光。之前提及到的光源文件来自LumiEngin公司。LED芯片的标准尺寸为1mm*1mm。定制透镜I的表面可以提供预期的从中心到边缘都均匀的照明。CF-LCoS面板的基本规格包括对角线尺寸、有效面积和纵横比，它们的参数分别为0.29英寸、6.39毫米times;3.6毫米和16:9。目标照明的性质由这些参数所决定。为了保持结构的简单，使其更容易被制造，透镜II的前表面被设计为平坦表面，并且后表面是圆柱形表面。透镜II不同于压缩光束的其它柱面透镜，这主要表现在以下几个方面：一个是透镜II仅包含圆柱形表面，用以直接对入射光束进行整形，但是圆柱形表面可以基于改进的科勒照明原理，由其它自由形式表面灵活地替换；另一个是，透镜II不仅可以压缩光束，而且还可以控制系统的NA，这表明照明图案的均匀性对光束整形透镜的设计并不敏感。设计的透镜和相应的照明系统的横截面如图2和图3(a)所示。明显地，这样的设计可以使系统获得了更高的空间利用率。光线跟踪透视如图3(b)所示，通过这个图可以观察到两个重要的现象：第一个现象是，限制所收集的光线束的尺寸的透镜I的孔径确实会限制投影系统的光收集效率；第二个现象则是，最终由透镜II确定照明场，透镜II可以很好地匹配CF-LCoS面板的有源区。仿真结果与改进后的科勒照明系统的基本原理所预期的结果吻合较好。
图1. 基于改进后的科勒照明的CF-LCoS照明系统原理图。
全投影显示系统的光学性能
为了评估改进的科勒照明系统的照明度，我们设计了一种袖珍型投影系统，并对其进行了仿真和分析。如图4所示，整个投影系统主要包括LED光源、照明透镜组、偏振分束器、CF-LCoS面板和投影透镜。代替传统的科勒照明，这种只使用两个紧凑型透镜的照明系统可以将光学引擎的尺寸压缩到27.4毫米*19.4毫米*9.6毫米。TracePro仿真功能用于跟踪1000000射线。来自冷凝透镜和光束整形透镜的输出照明模式如图5所示。直径为8mm的圆形照明光斑被光束整形透镜压缩成一个椭圆光斑并输出。很明显，重塑的照明模式能够更好的匹配矩形显示面板。通过对图5(a和b)进行的比较，可以观察到光束整形透镜设计对照明图案的均匀性影响不是很大，这符合改进后的的科勒照明系统理论预期的情况。模拟照明分布图和LCoS面板的照度等高线图如图6所示。在不考虑偏振损耗的情况下，改进后的科勒照明系统的光利用率总效率约为56.5%。这个效率接近圆形光束照明投影系统效率的极限。用最小照度除以最大照度，最终可以计算出照明均匀度大约为90.2%。图7显示了CF-LCoS面板上的角分布。来自LED芯片的兰伯分布光被压缩成一个大约plusmn;15°的半视角。这种照明系统需要一个f数为1.9的投影透镜。这个结果表明，该系统对传统的科勒照明技术进行了改进，使整个投影系统的体积变得更小，同时满足了实际投影显示的光学要求，并且满足了各种参数的要求。
图2. 两个照明透镜的截面。
图3. (a)改进后的科勒照明系统和(b)光线跟踪透视图。
图4. 配备了一个改进后的科勒照明系统的完整的投影仪（27.4毫米times;19.4毫米times;9.6毫米）。
与传统的科勒照明系统相比
为了能够更具体地显示其优点，我们将设计的改进后的科勒照明系统与最常用于投影系统的传统科勒照明系统进行了比较，此外还对装有光积分器或透镜阵列的照明系统进行了优化和建模。如图8所示，我们可以直接并且直观地对三种照明系统的光学结构进行比较。显然，改进后的科勒照明系统的最大长度为20.62mm，而基于光积分器的系统为30.87mm，与此同时，基于透镜阵列的系统为43.38mm。在同一面板的基础上，改进后的系统分别减少了33.2%和52.47%的体积。光圈在照明系统中的位置如图8所示。显然，我们所提出的设计是遵循科勒照明原理的。但是，在镜头孔径中集成了光阑，这可以大大降低系统的复杂性，并且光学结构更简单。
在CF-LCoS面板外的光分布如图8所示。前文所述的照明模式被装有光积分器或透镜阵列的照明系统重塑为矩形图案。虽然矩形图案更适合LCoS面板，但也应该考虑到其他限制。例如，装有光积分器的照明系统将无法使用装有封装透镜的LED芯片。一旦LED发光表面与光积分器有一定的距离，整个系统的效率就会急剧下降。如图9所示，当光源和光积分器的距离被从0.4mm改变到1mm时，整个系统的光利用率大约下降了15%。类似的情况同样的还涉及了装有透镜阵列的照明系统。根据图9所示的虚线，光效率对入射光的扩散角很敏感。换句话说，在传统的科勒照明系统中，设计的时候应该仔细地考虑控制变量以减小它们导致的相应的光效率的降低，但改进后的科勒照明系统提供了更好的设计灵活性，也就是说在设计系统的时候可以有更大的发挥空间。
图5. 来自会聚透镜(a)和光束整形透镜(b)的输出照明模式。
图6. (a)模拟照明分布图和(b)CF-LCoS面板上相应的照度等高线图。
图7. CF-LCoS板的角分布。
调试后科勒照明系统分析
改进后的科勒照明系统的材料、尺寸、孔径形状和LED芯片尺寸等参数对系统性能有着十分显著的影响。在这些参数中，LED芯片尺寸的影响是最为明显的。因此，为了探索所提出的改进后的科勒照明系统的潜力，我们对不同LED芯片尺寸的光学性能分别地进行了研究。这里将重点地讨论了LCoS板的光效率、照明均匀性和最大半视角的差别。结果如表1所示，计算效率和均匀度是以百分比来表示的。仿真结果表明，随着LED芯片尺寸的增加，效率和半视角是逐渐降低的。当LED尺寸变化时，LCoS板的照明均匀性的波动较大，在66.7%~90.2%之间。为了实现令人满意的光学性能，前面所提出的投影显示系统的LED芯片的尺寸应在1mm左右。公差分析是非常重要的，因为在实际应用中，实际的数据同理论值相比，有一些误差，或者安装的时候出现些许的差错是无法避免的。如图10所示，前面所说的安装误差总体可归纳为水平偏差、垂直偏差、轴向偏差和旋转误差，在这里分别表示为dx、dy、dz和dh。在此分析中，DX、DY和DZ的取值范围全部设为(0.1 mm，0.3 mm)，而Dh的取值范围设置为(1°，5°)。公差分析的取值范围实际上式大于实际加工和装配精度的，因为这样可以将实际可能造成的误差全部涵盖进去。根据实际的生产经验来看，实际光学系统的位置偏差可控制在0.1mm以内，但在公差分析中，应将仿真条件扩展到0.3mm，这样是最为稳妥保险的。安装错误和偏差导致的影响可见表2和表3所示。表2显示了DX、DY或DZ在0.1-0.3mm的范围内变化对系统性能产生的影响。分析结果表明，当位置偏差达到0.2mm时，整个系统照明的均匀性下降到了原来的75%左右，如果系统还受到DZ的影响，它的光效率将会下降得更为严重。与位置偏差相比，LCoS板对入射角的影响尤为严重。当三种位置偏差达到0.1mm的时候，LCoS板的最大入射角将会扩展到16°。如表3所示，当dh从0°增加到2°的时候，整个系统的均匀度下降了大约5%。此外，还可以看出，相比于位置偏差，旋转误差对系统的光利用率的影响会相对较小一些。综上所述，根据以上结果我们可以看出，公差对上述三种位置的偏差其实都是非常敏感的，在实际应用中我们应特别注意。如果可以将安装误差控制在0.1mm以内，位置偏差控制在2°以内，那么对系统的各个参数的影响会比较小，则对于照明系统来说是可以接受的。
图8. (a)改进后的照明系统和CF-LCoS面板外的光分布；(b)常规的科勒照明系统，该照明系统配备了光积分器，并在CF-LCoS面板外分布；(c)常规的科勒照明系统，该系统配备透镜阵列，并在CF-LCoS面板外分配光。
图9. 归一化效应的趋势随着光源和光积分器的距离而变化（实线）；归一化效应的趋势随入射光的扩散角而变化（虚线）。
图10. (a)参考坐标系周围的水平偏差dx、垂直偏差dy和轴向偏差dz。(b)旋转误差dh。
表1. 基于不同LED芯片尺寸的光学性能。
表2. 位置偏差对系统光学性能的影响。
表3. 旋转误差对系统光学性能的影响。
总结
下一代数字投影系统的要求将会具有结构较为紧凑、整体成本较低、光利用率较高、光照均匀性较好等特点。传统的投影显示系统中的科勒照明似乎不能在系统结构和光学性能之间提供适当的平衡，即为了提供较高的光学性能，系统结构会相应的变得更加复杂，而简单的投影系统的光学性能会偏低。本文提出了一种用于袖珍型投影显示系统的改进后的科勒照明设计方案，并对其进行了详细的仿真和分析。在改进后的科勒照明系统的基础上，该投影系统的性能不仅可以达到高达90.2%的均匀度和56.5%的光利用率，而且还可以将袖珍型投影系统的总尺寸减少到27.4 mm*19.4 mm*9.6 mm。针对公差的分析表明，当前的加工和装配精度对于该投影系统而
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