MD投影机中的光学元器件 (四)

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摘要:md投影机光学引擎中照明系统的作用有两个:一是实现均匀照明;二是将圆形截面光束调制成矩形截面光束。均匀化照明可以提高投影图像亮度的一致性,调制光束截面形状可以提高光的利用率,微透镜阵列或光积分棒则可以很好地解决这两个问题。

关键词:MD投影机;微透镜阵列;光积分棒

中图分类号:TN141.9文献标识码:B

Optical Parts in the MD Projector (Ⅳ)

――Micro Lens Array and Rod Integrator

HAN Jing-fu

(China IndustrialAssociation ofElectronic Audio Visual Products,

Large Screen Projection Display Association Branch, Beijing 100026, China)

Abstract: The MD Projector's optical engine generally has a Micro Lens Array (MLA) or a Rod Integrator Illumination System which has two functions, one is to carry out uniformity illumination, the other is to modulate circular beam to therectangular beam. This illumination systsm can improve the image brightness and increase the illumination efficiency.

Keywords: MD projector; micro lens array; rod Integrator

引言

本文是“光学元器件”系列文章的第四篇,第一篇文章介绍了偏振片与波片,第二篇文章介绍了PBS与PCS,第三篇文章介绍了二向色分光镜与合色棱镜。本篇文章主要介绍照明系统中的微透镜阵列与光积分棒,结合照明系统的结构阐述其照明光均匀化原理与光束截面调制原理。

1微透镜阵列照明系统

3LCD投影光学引擎已基本成熟,且其结构已定型,由一个光源来照明三个显示芯片,如图1所示。为了提供均匀照明,采用微透镜阵列照相系统,它包括UHP灯、微透镜阵列1、微透镜阵列2、聚光镜、场镜、被照明显示芯片等,如图2所示。

1.1UHP灯及反光罩

超高压汞灯(UHP)常被作为投影机的光源,它具有很高的亮度,较长的寿命,特别是灯弧较小,近似点光源,光谱分布恰好能满足R、G、B三基色分光要求。使用抛物线形反光罩时,令灯弧处于其焦点位置,可发出平行光束,光束截面呈圆形,但光的分布不够均匀,光分布曲线如图3所示。靠近光轴区域,受灯管影响,有一低凹区,向外扩展光强逐渐增大,靠近反光罩边缘处,光强再次减弱。

1.2微透镜阵列

微透镜阵列(micro lens array,MLA)是由多个微型透镜按行按列组合而成,外观颇似昆虫的复眼,故又称为复眼透镜(fly eye lens)。光源发出的光束,由抛物线反光罩反射后发出平行光,经过微透镜阵列1,将光源进行“分割”,在每个微透镜的焦点处聚焦成一个小亮点,如图4所示。

在此焦点附近设置微透镜阵列2,将微透镜阵列1的每个微透镜视为被分割的新光源,它由微透镜阵列2及后续的聚光镜、场透镜成像在显示器件上,如图2所示。这样一来,每个分割的新光源在显示器件上进行叠加,使显示器件获得了均匀照明,这个过程称为“光积分”,所以这个系统也称为“光积分器”(optical lntegrator)。因此微透镜阵列照明系统的原理可总结为:先“分割”后“积分”。

光束截面形状由显示器的形状来决定,显示器件的形状多为长方形,长宽比(幅型比)一般为4:3或16:9。同时微透镜也应是长方形,其长宽比应与显示器件一致。设显示器件的长、宽分别为L、W,每个微透镜的长、宽分别为l、w,即L:W=l:w=4:3或16:9;设照明系统的放大率为M,则l=L/M,w=W/M;设透镜阵列的总长、宽分别为A、B,排列成n行和m列,则n=B/w,m=A/l;微透镜总个数为N,则N=n×m。由微透镜的形状调制了照明光束截面的形状,从而避免了用圆形光束照亮矩形目标物而产生光通量的浪费,并提高了照明光通量的利用率。

投影机中用的微透镜阵列,其微透镜个数约为5,080个,微透镜个数越多,均匀化程度越高。显示芯片上的照明,四角与中心相比仅低2~3%,均匀度达到97~98%,如图5所示。微透镜阵列实物如图6所示,微透镜阵列的尺寸不宜太小,常见一例为50×52×5mm。

微透镜阵列是成对应用的,两者的尺寸和微透镜个数往往相同,两者的间距约为微透镜的焦距值。也有不相同的两片微透镜阵列,所以必须识别是否有差异,并牢记前后安装次序。前者接受光源发出的平行光,后者跟随有聚光镜,微透镜阵列所用的光学玻璃要求其膨胀系数要小,透明度要好,且易压制成型,一般选用的玻璃牌号为B270。

2光积分棒照明系统

用在照明系统中的光积分棒是一种长条形的光学器件,其断面为正方形或长方形,利用光积分棒可实现均匀化照明。积分棒的前方是光源,后方是出射透镜组,其光学系统如图7所示。

在图7中,光源经椭球反光罩聚焦在积分棒的入口处,光线进入积分棒,经过多次内反射,在出口处形成均匀分布的新光源,再经出射透镜组,将均匀的新光源成像在被照明的显示器件上。

积分棒是如何实现照明均匀化的呢?

它的工作原理如图8所示。光源聚焦在光棒的入口端面,光线进入光棒以后,在光棒的内壁处形成全反射,有的光线经过一次全反射就到达出口处,有的光线经过两次全反射到达出口处,不同次数的全反射光形成许多虚拟光源,或称为二次光源,并在出口处形成许多二次光源的叠加,达到光积分,实现均匀化。光积分棒实样如图9所示。

根据内表面全反射原理制作的光积分棒应注意以下几点:

・光线在入口处的会聚角不能太大,以保证入射光线实现全反射;

・光积分棒的长度决定内部全反射的次数,亦即决定均匀化程度,积分棒越长,均匀化程度越高;

・对实心光棒,光积分棒的长度与光吸收成正比,棒越长光被吸收越多;

・光积分棒的光学玻璃材料一般选用冕牌玻璃,折射率约为1.5163,为保证内全反射,应选用高折射率的玻璃;

・光积分棒也可做成空心的,以减少光吸收,不过空心光积分棒加工工艺难度较大;

・在积分棒入口处应加一遮光板,阻止光棒内部光线反向溢出;

・光积分棒断面的长宽比应与被照明显示器件的长宽比一致。

作者简介:韩景福(1931-),男,毕业于北京工业学院光学仪器系,主要从事照相机镜头光学设计、照相机结构设计、光学加工及设备设计、3LCD投影光学引擎设计、制订照相机械标准、制订LCD、LCOS、DLP光引擎标准等,历任北京市照相机总厂总工程师,轻工业部全国照相机设计组组长,全国照相机械技术标准化委会委员,全国缩微机械技术标准化委员会委员,中国视听学会常务理事,中国电子视像行业协会大屏幕投影显示设备专业委员会专家组及LCD、LCOS、DLP光机标准制订组组长,E-mail:。