投影仪柯勒照明系统设计.docx

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1、投影仪柯勒照明系统设计摘要:设计了利用多颗LED（Light Emitting Diode发光二极管)阵列组成的扩展面光源,经过合理的聚光设计使之符合某些投影设备对亮度要求不是很高，但结构紧凑性能稳定使用寿命长的要求.结合数学建模和软件模拟的方式设计了一种小巧的反光杯利用反光杯把LED近180的发散光束汇聚到60左右,然后再用一一对应的透镜阵列汇聚为平行光;最后采用柯勒照明方式把较大的面光源阵列汇集到LCD投影屏幕上从而达到了较高亮度且具有很高均匀性的目的。关键词:LED(发光二极管);投影光源;聚光;反光杯;照明Abstract : the use of LED (Light Emittin

2、g Diode Light Emitting Diode) array of extended surface Light source, through reasonable condenser design make it conform to the requirements of the certain projection equipment for brightness is not very high, but long service life of compact structure stable performance requirements. Combined with

3、 the mathematical modeling and software simulation was designed using a small reflective glass reflective cup of LED nearly 180 of divergent beams converge to 60 or so, and then with a one-to-one lens array to a parallel Light; Finally using kohler illumination to the larger surface light source arr

4、ay to LCD projection screen so as to achieve the purpose of high brightness and high uniformity.Keywords: LED (light emitting diode); The projection light source; Concentrated; Reflective cup; lighting目录摘要:1绪论：4第一章 投影仪的历史和发展4第二章 投影显示的现状和分类6第三章 详细设计83.1反光杯的设计83.2聚光光路的设计8第四章 光源系统的设计过程9总结：10参考文献12绪论：近年

5、来各种LCD投影设备越来越多地被应用于各个领域中在投影设备中光源的作用是非常重要的光源设计的成功与否直接影响到设备的性能指标一般设备中都采用投影仪中常用的UHP和UHE等放电式高亮度灯泡.其优点是发光效率高光密度很高其缺点是发热量大.寿命相对较短且不易做到使结构紧凑.随着高产量的LED性能的大幅提升我们有了更好的选择.LED不仅具有低功耗.低驱动电压.寿命长.响应速度快.耐振动和冲击及无污染等特点而且其清晰的全色域.可调制的白点，大面积的模糊区等决定了他在投影光源应用中的广阔前景。目前的一些特殊用途的投影设备对亮度要求不是很高但要求系统结构紧凑.发热量低.稳定性好.使用寿命长.普通投影仪用UH

6、P等气体灯很难达到这些要求而LED却具有很大的优势.LED是一种固体发光元件由于其无热辐射和水银等有毒物质的污染是新一代绿色环保能源.现在的大功率LED不仅具有上述特点而且单色LED单色性好.带宽窄白色的具有宽色域.白点可调.高调光率等特点具有更灵活的选择性在各个领域都有了很多的应用.现在的LED单颗功率已经可以做到5W甚至10W发光效率已达到35lm/W.但单颗亮度还较低不能达到要求的亮度.基于当前这种情况本文设计了一种新颖的LED投影光源.通过合理的聚光光路设计使LED组成一个扩展光源无论从亮度还是均匀性和结构上都能充分满足设备的要求。第一章 投影仪的历史和发展在会议中或者视听教学场所，演

7、说者为了把自己的意思表达给全体观众，常常演说内容制作成投影片或者幻灯片，利用投影仪将资料投影到屏幕上，使得观众能清楚的了解演说者要表达的讯息。公元183年法国人奥古斯特发明了幻灯机。他将文字或图片制作成幻灯片，利用幻灯机的光学系统将幻灯片上的影响投射到屏幕上。成为历史上第一台静止图像的投影仪。由但是幻灯片的制作成本较高，过程复杂而且置换幻灯片的程序繁琐，公元1895年，法国人卢米埃尔发明了拉片结构，一个可以连续播放资料的装置。从此电影放映机(Motion pictureprojector)诞生了。在早期是用手摇或者发条的方式来控制拉片机，最高的拉片速率只能达到每幅图为124秒，可是人眼的视觉暂

8、留时间为116秒。因此，观众会感到屏幕有闪烁的现象。其解决方法是在电影胶片前加上一个双叶片遮光器，每移动一个画面，遮光器便旋转一次，叶片便遮光两次。如此，可以将闪烁频率从每秒24次提升至每秒48次，观众便可欣赏到更为清晰、稳定的图像。由于电影放映机所使用的光源为弧光灯，机器温度容易上升，而拉片机的拉片速度不够快，放映的胶片很容易被烧毁。另外放映机体积庞大，一般只在电影院里使用。于其体积小携带方便，至今仍广泛使用。随后光学投影仪(Optics Projector)被开发出来，利用复印机将资料复印在投影片上，再将投影片放置在菲涅尔透镜(Fresnel lens)上，经过光学系统中的投影镜头，把投影

9、片上的资料投影在屏幕上。其制作手续及成本都比幻灯片简单且便宜。公元1897年，德国人布朗arlFerdinandBraun)发明了具有发射荧光的阴极射线管(CathodeRay Tube；CRT)，于公元1926年拜尔德(JollIlBaird)在英国展示了实用型的阴极射线管电视，并领用电视摄影机或电荷耦合影响感应器(Charge Couple Device Image Sensor)直接将图像资料输入电视。即可使观众观看到即时影像。然而，阴极射线管电视是由高速的电子打在屏幕的荧光物质上，电子动能转变为激发荧光物质发光的能量，同时会产生对人体有害的辐射；另外玻璃荧幕所能承受的真空压力大小限制了

10、屏幕的尺寸。公元1965年投影电视(CRT Projector)被开发出来。它利用投影原理将阴极射线管的影像投射出去，为了使图像达到足够的亮度，投影电视的阴极射线管亮度通常比直视型电视要高，而显示的亮度又和加速电子的电压有关。高压下的辐射量越强，其危险性叶相对提高。另外整个设备体积过于庞大，故不被普遍使用。公元1968年，美国RCA公司开发出液晶显示器(Liquid Crystal Display LCD)，随后应用在电子计算机，黑白监视器以及数字钟表上。公元1980年，日本开发出8英寸以上主动矩阵式(Active Matrix)彩色液晶显示器，轻、薄、低驱动电压是它的优点，至今已被应用在彩色

11、液晶屏幕，笔记本电脑上，此为显示器材史上的一个革命。早期的液晶显示器在亮度、对比度及视角方面的技术无法突破，因此一直无法和传统的阴极射线管电视抗衡日本许多厂家的技术大幅提升，索尼公(SONY)率先做出单片33英寸的壁挂式液晶电视，其亮度及视角皆能与阴极射线管电视媲美，将成为二十一设计显示器的主流产品。而液晶显示与光学投影系统相结合的液晶投影仪应运而生。第二章 投影显示的现状和分类国际上一般将显示技术分为直接显示(Direct View)与投影显示(ProjectionDisplay)两大类。当前显示技术的发展方向是大屏幕、高清晰度和高分辨率。目前技术条件下，直接显示方式如阴极射线管(CRT)、

12、液晶平板显示(LCD)、电致发光(EL)、场致发光(FPD)、等离子显示(PDP)以及发光二极管显示(LED)等都可以实现屏幕对角线为40英寸的显示，但是对于更大尺寸的显示，实现比较困难，而且会相应增加体积、重量以及成本。从制造成本以及技术水平来看，投影显示是实现大屏幕显示比较合理的途径。投影显示是将显示器件产生的图像通过光学系统投射到屏幕上。根据显示器件形成图像的方式，投影显示可以分为：发光型和调制型(光阀型)两类。发光型投影显示是指显示器件上直接产生高亮度图像，再由光学系统投影至屏幕上观看。发光型投影显示以CRT投影显示为主，CRT投影仪的原理，使用红绿蓝三个单位的CRT，用投影透镜将57

13、英寸的小型高亮度CRT上的图像放大，实现40100英寸大画面显示。CRT投影显示技术成熟，性能优越，价格便宜，在投影显示技术领域中占有一定的比重，然而CRT投影显示整机体积庞大，重量较重，且象素的固定大小限制了CRT投影显示的分辨率的提高。调制型投影显示的显示器件本身并不发光，而是根据输入信号改表显示媒质的某些电光特性(如反射率、投射率、折射率、双折射、散射等)，经外加光源的照射，将显示器件上的潜像经光学系统读出投影到屏幕上。液晶投影显示属于调制型投影显示。八十年代末、九十年代处兴起的液晶投影显示发展非常迅速，不仅能实现高亮度和高分辨率的大屏幕显示，在图像对比度、稳定性等方面性能良好，而且体积

14、小、重量轻、灵巧、方便，是一种较为理想的显示技术。而LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影显示是一种新型的反射式LCD微投影技术，与穿透式LCD相比，LCOS具有以下明显的优势：开口率高从而光能利用效率高，可以同时保证高清晰度与高亮度化；LCOS的尺寸一般为07英寸或更小，可以降低系统的成本、物理尺寸以及重量。而且LCOS可以通过像素窄间距化来增加像素数目，提高分辨率，是获得高分辨率的理想途径按投影方式分类，投影显示又可以分为前投影式(Over Head Type)和背投影式：以屏幕为参考面，观众在屏幕前方欣赏，而投影器在屏幕后方投射影像。背投投影仪是将屏幕和投影仪

15、做成一体化的产品，主要应用于大尺寸背投式电视。第三章 详细设计光路合理化设计主要是平衡光学设计上光利用率与光均匀性的矛盾.设计的基本思想是通过对LED的合理排列组合然后加装必要的高效聚光光学组件从而得到紧凑.高效.均匀的光源.设计中要求能尽可能充分利用每一颗LED发出的光.由于受封装工艺的限制大功率LED的底座比较大而且发光角度也大一般为120到180。这样就不可能通过直接矩阵排列得到紧凑而高效的光源必须先用一种椭球面反射器把LED发散的光收集成平行光或小角度的发散光然后再利用聚光镜把这些光都聚到更小的范围内以适应不同的LCD。3.1反光杯的设计由前面的特性分析中可以看出要想把如此发散的多个L

16、ED光直接聚到一起是不可能的必须先把各个LED发出的光汇聚成平行光然后排成阵列再整体汇集到LCD屏幕上.为了能使接近半球面的发散光能汇聚成平行光或小角度的发散光束必须设计一种反射器使得LED发出的光能高效合理的汇聚以提高光利用率.但由光反射原理可知这种反射器不能靠一种简单的平面或球面反射镜来实现而是一个复合的椭球面.同时可以想象我们不可能把LED所有发出的光均汇聚成平行光所以应该根据系统的结构要求使光汇聚成一个小角度的发散光.为了使结构更加紧凑便于光路的合理设计要求反光杯的出光口径不能大于H12mm通过软件模拟可以得出反光杯出光口径为H12mm高度为10mm是比较合适的。3.2聚光光路的设计由

17、于组成的光源阵列面积远大于LCD液晶屏幕的尺寸所以LED的光经过反光杯的收集和透镜阵列的聚光成平行光后还必须进一步汇聚到LCD屏幕上.该系统对于光照的均匀性有较高的要求所以这里采用柯勒照明的方式来进行设计.由于系统中所用的是由多个LED组成的面光源矩阵所以也不能完全称之为柯勒照明。第四章 光源系统的设计过程在设计光源系统时，首先应根据要求确定光学结构形式，然后根据高斯光学和初等像差理论，确定光学系统的初始结构，最后用软件对其进行优化和像质评价。如果光源系统对照度均匀性要求很高的话，在使用软件进行优化时，很难将像差控制在所要求的范围内，这时需要控制实际光线在被照明面上的分布。首先利用式计算不同入

18、射角下的光线在被照明面上的高度；然后控制实际光线在被照明面上的高度，使其等于计算出的理想高度值，并选择合适的权重，以保证光线的实际高度与理想高度尽可能一致最后选择软件自动优化。总结：投影仪光源对于投影系统的亮度以及图像质量有决定性的影响，而目前投影系统逐渐微型化对投影机所用光源有了更高的要求：光强大，发光面积小且光学扩展量(Etendue)小。投影仪的通常使用的光源系统采用可看作点光源的弧光灯以及与之一体化的反光碗作为光源。而最近LED光源也越来越多的被应用于投影显示中。在LCOS投影系统中，LCOS光阀面积尺寸很小，因而要求大量的光能够均匀的通过一个很小的面积。另外，从液晶器件的特性考虑，液

19、晶显示器件在大角度光束照明时会引起图像颜色的反转以及对比度的下降。而在投影系统中也使用了大量的光学干涉薄膜器件，大的光束孔径角会使得多层膜光谱特性产生显著变化。因此投影光学系统中照明光束的相对孔径不能太大。我们对投影仪光源系统进行设计目的就是提高光源光能利用率，使得LCOS光阀上的光强分布均匀并且保证光束的角度较小，半角范围在16度左右。本文探讨根据特定的设计要求如何选择光源以及在现有光源的基础上将光源原始光束整形为系统所需的照明光束，而光源的光谱不在考虑范围之内。本文系统地论述了微型投影系统的设计特点与设计过程，本文将微型投影仪与传统的投影仪进行对比，对照明系统的设计提出新的设计要求，并以非

20、成像光学为理论基础，为微型投影仪照明提供了设计方向和优化评价的依据。文章分析了照明系统中一些常用光源以及光学器件的工作原理和光学行为，建立光学模型，并通过模拟仿真分析器件的性能和效率。基于设计中尺寸、成本、效率、寿命等的要求，本文设计了以普通HID和LED为光源的两个投影系统，并采用光线追迹分析法对微型投影仪进行整体综合评价分析以及对整个系统进行优化。系统结构简单，成本低廉，效率高，易于随身携带，已投入量产。参考文献 王晓东著.电气照明技术.机械工业出版社,2005年.5060 田随明、毛哲、姜木霖著.工业电气与控制技术.华中理工大学出版,1996 年.2335 林福光著.民用建筑电气设计与安

21、装图集.中国水利水电出版社,2004年建筑电气常用数据手册编写组.建筑电气常用数据手册.第二版,中国建筑工业出版社,2002年3月.191256 周太明、宋贤杰等著.高效照明系统设计指南.复旦大学出版社,2003年中国建筑科学研究院编.绿色照明工程实施手册.中国建筑工业出版,2003 年 左秀彦等著.建筑电气安装与装饰照明.电子工业出版社,2001年MARKKARLEN、JAMESBENYA著.建筑照明设计及案例分析.机械工 业出版社,2002年.105120 白公著.怎样阅读电气工程图.机械工业出版社,2002年 舒飞、李华等著.AutoCAD2005电气设计.机械工业出版社,2005年张振昭、许锦标著.楼宇智能化技术.第二版,机械工业出版社,2003年韩风著.建筑电气设计手册.中国建筑工业出版社,1991年 北京天正工程软件有限公司.天正电气设计软件使用手册.人民邮电出版 社,2003年 中国建筑东北设计研究院.民用建筑电气设计规范.中国计划出版社, 1992年.206226 14