激光投影显示中光棒匀光的照明光路设计

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1、第26卷第7期强激光与粒子束Vo1．26，No．72014年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJu1．，2014激光投影显示中光棒匀光的照明光路设计刘红，王蔚生，郑健。(1．上海电机学院电子信息学院，上海200240；2．华东师范大学信息科学与技术学院，上海200062；3．上海公安三所刑侦事业部，上海200031)摘要：在方棒照明系统的基础上，根据激光光源的发光特性和准直性，设计了一款用于激光投影显示的，基于光棒匀光的照明光路系统。此系统具有结构简单、开发周期短、加工成本低的优点。仿真

2、结果表明：设计的激光投影机光能量利用率达到78，均匀度达到85，满足激光投影显示中对集光和照明的设计要求。关键词：激光投影显示；光学扩展量；光棒；光学引擎；照度分布中图分类号：TN248文献标志码：Adoi：10．1l884／HPLPB201426．079003具有集光和照明功能的非成像光学已经渗透到生活中的各个领域，特别是在投影显示系统中有很多运用口。。激光投影显示系统因具有色彩丰富、饱和度高、对比度强等特点，成为了国内外研究的热点。利用激光作为投影光源，需要采用新的配光方法将高斯分布的激光重新配光，以实现均匀分布

3、的矩形光斑。因此，光学引擎，特别是其中的照明系统，是激光投影显示系统的核心，占据了相当大的一块成本。一般投影显示的均匀性照明采用复眼透镜来构成照明系统，其光能量利用率高，节约空间，但是复眼照明系统的结构复杂，开发周期长，加工成本高。而基于光棒匀光的照明系统具有结构简单，开发周期短，原材料获取容易，加工工艺简单，造价低，光棒加工高质量r4等优点。因此，本文采用了光棒匀光的方法，设计了一款基于激光的光棒均匀照明投影光路系统。整个系统所用光学器件简单、结构紧凑，比一般的复眼匀光系统的光能量利用率高，均匀性更好6l。l光棒的

4、光学扩展量从工程运用成本方面考虑，照明与成像光路要尽可能的提高光能量利用率l7]，才有助于降低激光投影显示系统的成本。光棒的选择对于照明光路的能量利用率至关重要。因此，本系统选用具有高井壁反射率Fig．1Operatingprinciplediagramoflightpipe的实心柱形光棒，其工作原理如图1所示。入射激图1光棒工作原理图光光源在光棒内反射面上经过多次反射后，极大的破坏了原来激光光源的干涉作用，在出射端得到强度均匀分布的出射光。为了保证出射光场的均匀性，需要对光棒长度、截面尺寸和光学扩展量进行优化设计，

5、并且光棒的长宽比应等于投影显示芯片的长宽比。研究发现：通过优化光棒的截面尺寸与入射光的光斑半径，激光投影显示系统能够获得最大光能利用率11127。由图1可知，设入射到光棒上的光束面积为5，则光棒人射端的光学扩展量为El。ghtp一rrSsin一7c。rsin(1)式中：⋯为光束的最大孔径角；r为进入光棒光束的半径。光棒出射端的光学扩展量为E】ig}lcplp一7c口⋯bsin⋯(2)式中：cz和b分别为光棒的宽和高。根据式(1)～(2)，得到E!一(3)light7c由式(3)可知：①当E一E。时，入射光棒的光学扩展

6、量与出射光棒的光学扩展量相等。若a：b一3：4，则6一1．535r小于2r，此时有部分光进入不了光棒，造成光能量损失；*收稿日期：20I3—1010；修订日期：2O14—02—13基金项目：国家高技术发展计划项目；上海市大学生创新计划项目(2012SCX15)；上海电机学院科研启动计划(13DX02)；上海电机学院计算机应用技术学科项目(13XKJ01)；上海高校青年教师培养资助项目(22SDJ13014)作者简介：刘红(1978一)，女，博士，讲师，主要从事显示光学和物联网的研究；1iuhong052O163@16

7、3．corn。通信作者：郑健(1957一)，男，研究员，主要从事刑侦方面的研究；13801900245@139．corn。O79003一l，强激光与粒子束②当E．。1．67E-，此时无能量损失，但后继光路需要更大的光学扩展量才能让全部光束通过；当Et㈣

8、仍有部分光落在光棒之外，造成光能量损失。当光在光棒中传输时，光棒上不同光源点对应的立体角不同，系统的光学扩展量为E一∑E一∑；IcOS~i,jdA．．dQ(4)MNMN式中：M和N表示入射光源阵列的行列数；E表示第(，J)个光源的光学扩展量；，表示第(i，)个光源的立体角。Q表示光源(i，)所对应的立体角，平面内任意一点(，)经过光棒出射面上的