激光投影顯示中光棒勻光的照明光路設(shè)計(jì)

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1、第26卷第7期強(qiáng)激光與粒子束Vo1．26，No．72014年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJu1．，2014激光投影顯示中光棒勻光的照明光路設(shè)計(jì)劉紅，王蔚生，鄭健。(1．上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院，上海200240；2．華東師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海200062；3．上海公安三所刑偵事業(yè)部，上海200031)摘要：在方棒照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)激光光源的發(fā)光特性和準(zhǔn)直性，設(shè)計(jì)了一款用于激光投影顯示的，基于光棒勻光的照明光路系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短、加工成本低的優(yōu)點(diǎn)。仿真

2、結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的激光投影機(jī)光能量利用率達(dá)到78，均勻度達(dá)到85，滿足激光投影顯示中對(duì)集光和照明的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：激光投影顯示；光學(xué)擴(kuò)展量；光棒；光學(xué)引擎；照度分布中圖分類號(hào)：TN248文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10．1l884／HPLPB201426．079003具有集光和照明功能的非成像光學(xué)已經(jīng)滲透到生活中的各個(gè)領(lǐng)域，特別是在投影顯示系統(tǒng)中有很多運(yùn)用口。。激光投影顯示系統(tǒng)因具有色彩豐富、飽和度高、對(duì)比度強(qiáng)等特點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。利用激光作為投影光源，需要采用新的配光方法將高斯分布的激光重新配光，以實(shí)現(xiàn)均勻分布

3、的矩形光斑。因此，光學(xué)引擎，特別是其中的照明系統(tǒng)，是激光投影顯示系統(tǒng)的核心，占據(jù)了相當(dāng)大的一塊成本。一般投影顯示的均勻性照明采用復(fù)眼透鏡來(lái)構(gòu)成照明系統(tǒng)，其光能量利用率高，節(jié)約空間，但是復(fù)眼照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，加工成本高。而基于光棒勻光的照明系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，原材料獲取容易，加工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，光棒加工高質(zhì)量r4等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用了光棒勻光的方法，設(shè)計(jì)了一款基于激光的光棒均勻照明投影光路系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)所用光學(xué)器件簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，比一般的復(fù)眼勻光系統(tǒng)的光能量利用率高，均勻性更好6l。l光棒的

4、光學(xué)擴(kuò)展量從工程運(yùn)用成本方面考慮，照明與成像光路要盡可能的提高光能量利用率l7]，才有助于降低激光投影顯示系統(tǒng)的成本。光棒的選擇對(duì)于照明光路的能量利用率至關(guān)重要。因此，本系統(tǒng)選用具有高井壁反射率Fig．1Operatingprinciplediagramoflightpipe的實(shí)心柱形光棒，其工作原理如圖1所示。入射激圖1光棒工作原理圖光光源在光棒內(nèi)反射面上經(jīng)過(guò)多次反射后，極大的破壞了原來(lái)激光光源的干涉作用，在出射端得到強(qiáng)度均勻分布的出射光。為了保證出射光場(chǎng)的均勻性，需要對(duì)光棒長(zhǎng)度、截面尺寸和光學(xué)擴(kuò)展量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，

5、并且光棒的長(zhǎng)寬比應(yīng)等于投影顯示芯片的長(zhǎng)寬比。研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)優(yōu)化光棒的截面尺寸與入射光的光斑半徑，激光投影顯示系統(tǒng)能夠獲得最大光能利用率11127。由圖1可知，設(shè)入射到光棒上的光束面積為5，則光棒人射端的光學(xué)擴(kuò)展量為El。ghtp一rrSsin一7c。rsin(1)式中：?為光束的最大孔徑角；r為進(jìn)入光棒光束的半徑。光棒出射端的光學(xué)擴(kuò)展量為E】ig}lcplp一7c口?bsin?(2)式中：cz和b分別為光棒的寬和高。根據(jù)式(1)～(2)，得到E!一(3)light7c由式(3)可知：①當(dāng)E一E。時(shí)，入射光棒的光學(xué)擴(kuò)展

6、量與出射光棒的光學(xué)擴(kuò)展量相等。若a：b一3：4，則6一1．535r小于2r，此時(shí)有部分光進(jìn)入不了光棒，造成光能量損失；*收稿日期：20I3—1010；修訂日期：2O14—02—13基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目；上海市大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2012SCX15)；上海電機(jī)學(xué)院科研啟動(dòng)計(jì)劃(13DX02)；上海電機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科項(xiàng)目(13XKJ01)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助項(xiàng)目(22SDJ13014)作者簡(jiǎn)介：劉紅(1978一)，女，博士，講師，主要從事顯示光學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)的研究；1iuhong052O163@16

7、3．corn。通信作者：鄭健(1957一)，男，研究員，主要從事刑偵方面的研究；13801900245@139．corn。O79003一l，強(qiáng)激光與粒子束②當(dāng)E．。1．67E-，此時(shí)無(wú)能量損失，但后繼光路需要更大的光學(xué)擴(kuò)展量才能讓全部光束通過(guò)；當(dāng)Et㈣

8、仍有部分光落在光棒之外，造成光能量損失。當(dāng)光在光棒中傳輸時(shí)，光棒上不同光源點(diǎn)對(duì)應(yīng)的立體角不同，系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展量為E一∑E一∑；IcOS~i,jdA．．dQ(4)MNMN式中：M和N表示入射光源陣列的行列數(shù)；E表示第(，J)個(gè)光源的光學(xué)擴(kuò)展量；，表示第(i，)個(gè)光源的立體角。Q表示光源(i，)所對(duì)應(yīng)的立體角，平面內(nèi)任意一點(diǎn)(，)經(jīng)過(guò)光棒出射面上的