第33卷增刊Vol.33 Suppl.2007年11月OPTICAL TECHNIQUE文章编号：1002-1582(2007)S0327-02LED照明光场照度均匀性的研究间峰，孙文军1，王淑英1，尹燕宗1，孟中2(1.哈尔滨师范大学理化学院，哈尔滨150025；2.中国科学院长春光机所航测部，长春130022)摘要：提出了LED面板与梯形高反射率混光简相结合的匀光方法。单个LED作为近朗伯体发光，其光能输出较低，且发散角较大，摊以直接利用。采用多个LD矩阵排列作为光源，增加了光源的有效发光面积和光通量。梯形混光简内部各面镀有高反射率膜，使得进人混光筒内部的光线无吸收的反射，最后充分混合输出。调整梯形简的长度可提高出射面上的光照度均匀性。利用Trac©Po软件对设计系统进行了模拟分析，结果表明出射面的照度均匀性大于90%，能量利用率大于65%，优于F℉双焦距光学系统，并且整个系统结构简单紧凑，易于实现，成本不高。关健词：应用光学；LD阵列：梯形混光筒：光能利用率：照度均匀性中图分类号：TM92文献标识码：AStudy of illuminance uniformity for LED illumination light fieldYAN Feng',SUN Wen-jun',WANG Shu-ying',YIN Yan-zong',MENG Zhong?(1.Harbin Normal University,Harbin 150025,China)(2.Changchun Institute of Optics,Fine mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130022,China)Abstract:A uniforming light algorithm based on trapezoid light mixing barrel is presented by for multi-LED illumination.The light energy output is less,the angle of divergency is larger for single LED.Multi-LED is used as illuminace light source,d by TracePro software show that the proposed uniforming light algorithm achieved higher uniformity at90%andbetter energy efficiency than FF two-focus optical system.In addition,the designed system is simple and easy to oome true.Keywords:aplied optics;light-emitting diode array;trapezoid optical mixing barrel;energy efficiency:illuminace uniformity0引言才能满足投影显示的要求。美国专利“LED-Illumination typeDMD projector and Optical System Theory"3)中介绍了一种目前在投影显示系统中采用的光源大多为UHP(UltaLED阵列，它被用来作为光源的三片式的DLP(Digital Lighthigh pressure,短弧超高压)汞灯。UP汞灯产生冷光，光效Processor)投影显示系统，该系统采用LED阵列作为光源，减高，在相同的功耗下产生的光通量大，光学扩展量效率（即每小了体积和重量，延长了寿命，通过点亮红、绿，蓝LED的占单位光学扩展量的流明数)也很高。由于UHP汞灯发光弧很空比和合色棱镜来合成所需要的颜色。短，光学扩展量较小，适用于微型投影仪。不过，UP汞灯存本文采用的多个LED与高反射率梯形混光简设计适合在一些不利于系统优化的缺点：于DLP(Digital light processing,数字光学处理)系统的光源，(1)考命较短，一般标称值为6000h。该系统在出射面获得了很高的照度均匀性和能量利用率。该(2)使用一段时间会产生明显的亮度衰减。系统同样适合于其他微显示装置。(3)光强的不均匀分布要求复杂的光学系统来调整。(4)无法快速启动。1梯形反射匀光系统1.1LED阵列泛的光电器件，如手机键盘背光、各种指示灯、显示屏等。与单个LED的光通量只有几十流明，雅以满足投影显示的UHP相比，LED的优势在于I:需要。为了增加光源的光通量，尝试将多个LED矩阵排列成(1)LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可达面板，作为投影显示的光源，这样既增加了光源发光的有效面80%一90%。积，也增加了光源的光通量，更适合作为投影显示的光源。(2)发光色纯度高。选择LED光源时，要考虑LED的尺寸、排列方式，功率、(3)能耗小、寿命长，光通量衰诚到70%的标称寿命为发光角度等问题。梯形筒匀光系统的光源—一LED面板采用九个LED是3×3矩阵排列，如图1所示。LED阵列位于(4)由于有环氧树脂的封装，防展性特别好，可靠耐面板的正中间，光源的主光线不会被梯形筒反射直接入射到用)。当然，LD也存在着较大的劣势，在实际的投影应用出射面，减少了光能量的损失，同时可增加出射面中央大部分中，LED的光强度仍然很低，只有通过设计合理的照明系统的亮度。◆收稿日期：2007-05-09E-mail:yfyy1981@163.com基金项目：黑龙江省青年基金资助项目(QQ06C043):哈尔滨市青年创新基金资助项目(RFQXG055)作者简介：同峰(1981)，男，黑龙江省人，哈尔淀师范大学颈士研究生，主要从事影像光学与显示技术方面的研究。327光学技第33卷增加LED排列的同时也会增的峰值相差不是很大。考虑到系统最优化，经分析梯形筒长加光源的光学扩展量，所以不能一度在L=46.58mm时出射面的照度均匀性较好。取L=46.味的增加LED的排列，否则既会浪99958mm重新建立模型，增加光线数量，效果会更接近实际的情费光能量，又会增加光源的散热难度。采用Lumiled公司生产的lW人射光线经过梯形简充分混合后投射出来，并在整个出射面的LED,封装半球直径约为5mm,考上得到照度均匀分布的光。虑到面板的尺寸和LED的散热效根据ANSI/NAMP IT7,228-1997,对于投影机的9点测果，正方形面板边长为40mm,1ED试法而言，将照明面分成九个大小均等的矩形，测量时将照度间距为5mm。LED阵列可以采用阵排列方式计探测器位于每一个矩形的中心，将九个点的照度的平均值多种形式排列，每一种排列方式都作为整个照明面的平均值。由于只取九个点，得到的平均值会有不同的效果，最终目的是在照明面上达到较高的光强度只是一个近似的值，所以在计算过程中需对整个接收面所有和照度均匀性。点的照度采集值进行计算，其计算公式为1.2梯形筒的设计传统的匀光方式大致可分为三种：积分球匀光法，光棒匀E=M×N(1)光法，新型反光镜匀光法。积分球法光能损失大，光能利用率只有40%：方棒长度较长，不利于投影仪的微型化设计；新型反光碗法结构复杂，工艺难度大，无法做到实用。照明系统的U=1-(2)设计主要是针对光能传递的控制，它属于非成像光学的范畴，E它要解决的是在辐射传递过程中如何使传递能量最大化并且式中：E为照度采集值；E为照度的均值：M和N分别为照度得到所需要的照度分布4)。采集点的行数和列数；U为出射面照度的均匀性。经计算，梯型混光简如图2所示，所设计的梯形筒混光系统匀光效果很好，出射面均匀性优于类似于CPC(复合抛物聚光90%,能量利用率达到65%。器)51。在梯形筒底部放置LED发出的光线会有少部分反射到具有间察的面板上，LED面板光源，LED发出的光面板应用高反射率材料，反射到面板上的光线经面板再次反射而投向出射面方向，有少部分的光能损失。根据软件模拟的反射，并进行充分的混合。发现，有约2.84%的光线没有人射到出射面，这是因为有些LED具有较大的发散角，光线角度的发射光线会在梯形简内反复反射，实际应用中这些光不集中，梯形简可以约束大角线都会被吸收，从而降低了能量的利用率。度的光线在简内向底部反射，图2梯形混光简要尽可能利用LED发出的光，可以使用一种地物面反射最终照射到梯形简的底器把每一个LED的发散光收集成平行光或小角度的发散光，部出射面。图3给出了这在很大程度上减小了光束角度，充分的利用了LED的光梯形简内的混光效果。可见，梯形混光筒能够3结论收集发散角较大的入射光线，且经筒壁反射后投影显示光学系统的设计主要是对光源光束的整型，同得到小面积的照明，从时满足出射面的照度均匀性要求。本文理论上计算模拟了梯而可使人射光输出面积形筒的匀光效果，所设计的系统出射面照度均匀性特别好，优的大小和形状满足要于90%，能量利用率达到了65%，能够满足投影仪对光源的求。图3混光效果模拟要求。随若制造工艺和技术水平的不断提高，单个LED发光出射面的大小和形状是一个为13.97mm的正方形。改功率会不断地得到提高，发光效率会有很大的提升，进而使采变梯形筒的长度就可以改变光线在筒内的反射次数，以阔节用该方法设计的光源光能输出更大，同时又能减少LED的个底部出射面上的照度均匀性。在非成像投影显示的照明中，数，使结构小型化。研究的是如何获得一个矩形的光能量均匀分布的光庭。应用参考文献：于不同场合的照明系统都需解决光能利用率和光能的二次分LEDs[J].Proc SPIE,2005,5740:1-12.布。由于梯形筒底部本身是一个正方形，出射光能够在照明[2]王晓明.LED用于LCD背光源的前景展望[].现代显示，2005，面上形成矩形光斑，因此不需要进行光斑的转换。7(53):24-28.2结果与分析and Optical System Thereof[P].US:6644814 B2.[4]李小燕，金尚忠，LQ0S微型投影机的LED照明系统设计[J].现代通过采用TracePro软件对光线进行追迹模拟可以获得显示.2006.12(70)：17一21.出射面各点的照度数据值。根据各点的照度数据，采用九点法计算出射面的照度均匀性。调制梯形简的长度后，又可得技术，2006,4：52一56.到一个均匀性。最后利用Origin软件画出均匀性随筒长度的[6]Zou H,Schleicher A.Dean J.Design of LED Illumination System inLCOS Micro-Projector[Z].SID,05 DIGEST,2005.1698-1701.变化曲线。从曲线图中可以看到，图中显示有多个波峰，相邻328