LED光源微型投影仪光学引擎系统设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.58MB 42 页 15积分

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摘要

随着投影显示系统技术的发展，市场对投影仪的需求日益增多。采用 LED光

源的微型投影仪成为人们的一个重要选择。开发体积小、亮度高、光源寿命长、性能

高的微型投影仪，成为世界上各大投影厂商的目标。

本文设计了一种新型的微型投影仪光学引擎，该系统采用DLP技术，并使用

LED芯片作为系统光源，有效的减小了系统体积。该光学引擎由照明系统与投影

物镜系统两部分组成，分别在LightTools和CODE V软件中进行仿真优化设计，并

使用Pro/Engineer软件进行整体光学引擎系统的机械结构设计。

照明系统由光源、集光系统、合光系统、匀光系统、TIR棱镜组成。集光系统由

CPC复合抛物面聚光器与非球面透镜组成，X-Plate型二向色滤光片将红绿蓝三色

光合成，匀光系统由双面微透镜阵列与两片中继聚光透镜组成，TIR棱镜起着光

隔离器的作用并提高系统对比度。我们在LightTools中建立照明系统模型，并追迹

2×106条光线对其进行仿真优化设计。

投影物镜系统为变焦光学系统，由11片透镜组成。光学系统使用CODE V软件

进行优化设计。系统变焦比为1.1，视场角为60°，物镜总长小于110mm。

LED光源的出射光通量可达到1250流明，经过照明系统与投影物镜系统后，

通过仿真，投影屏幕上的输出光通量可达到250流明，满足系统设计目标。

本文同时设计了光学引擎的机械结构以及散热结构，为光学部件提供外部支

撑与散热。

关键词：微型投影仪 LED光源光学引擎光学系统设计照明系统设计

ABSTRACT

With the development of the technology of project display, the demand for the

projector is increasing. The micro projector using LED light source becomes the

mainstream choose for the customer. It is a goal to develop a projector with small

volume, high luminance, long lifetime and high performance for all the projector

company of the world.

LED 光源微型投影仪光学引擎系统设计

A novel pocket projector light engine is developed in this thesis. The light engine

utilizes DLP technology, and the light source uses the LED chips, decreasing the system

volume effectively. The whole light engine system is composed of illumination system

and projection lens system, simulated and optimized by LightTools and CODE V

separately, and the mechanical system is designed in Pro/Engineer.

The illumination system includes light source, collection optics, combination

optics, homogenization optics, and TIR prisms. The collection optics includes a CPC

and two condenser lenses. The X-plate dichroic mirror mixes the RGB light. The

double-sided micro lens array with two relay condense lenses are function as the light

homogenizer. The TIR prism group acts as the light separator and improves the contrast

of the system. We build the model and trace 2×106 rays in LightTools to optimize and

design.

The projection lens system is a zoom optical system, composed of 11 lens

elements. We design the imaging system using CODE V. The zoom ratio is 1.1, the field

angle is 60 degree, and the total length of the projection lens is less than 110mm.

The output flux from LED light source is about 1250lm, pass through the

illumination system and projection lens system, the total throughout flux on the

projection screen is more than 250lm, which meets the system specification.

We design the mechanical system and the thermal sink structure in this thesis, in

order to support the optical light engine system.

Key words：Pocket Projector, LED source, Light Engine, Optical

system design，Illumination system design

目录
目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章　绪　论...............................................................................................................1
§1.1 投影显示技术....................................................................................................1
§1.1.1 光学引擎方案比较..................................................................................1
§1.1.2 光源比较与选择......................................................................................5
§1.1.3 发展现状与趋势......................................................................................7
§1.2 投影光学引擎系统设计概述............................................................................8
§1.3 本文研究内容及创新........................................................................................9
第二章　照明系统设计与仿真.....................................................................................11
§2.1 概述..................................................................................................................11
§2.2 系统综述..........................................................................................................11
§2.3 光源..................................................................................................................13
§2.4 集光系统..........................................................................................................13
§2.4.1 复合抛物面聚光器................................................................................14
§2.4.2 集光系统设计与仿真............................................................................14
§2.5 合光系统..........................................................................................................15
§2.6 匀光系统..........................................................................................................17
§2.7 TIR 棱镜...........................................................................................................19
§2.8 照明系统仿真..................................................................................................20
§2.9 照明系统分析..................................................................................................22
第三章　变焦投影物镜设计.........................................................................................23
§3.1 概述..................................................................................................................23
§3.2 变焦系统设计理论..........................................................................................23
§3.3 优化与评价流程..............................................................................................25
§3.4 设计与分析......................................................................................................26
§3.4.1 系统指标................................................................................................26
§3.4.2 设计结果................................................................................................26
§3.4.3 像质评价................................................................................................28
§3.4.4 透镜数据................................................................................................32
§3.4.5 凸轮曲线................................................................................................33
第四章　光学引擎机械结构设计.................................................................................35
§4.1 概述..................................................................................................................35
§4.2 设计展示..........................................................................................................35
第五章　总结与展望.....................................................................................................38
§5.1 总结..................................................................................................................38
§5.2 展望..................................................................................................................38
参考文献.........................................................................................................................39
i

LED 光源微型投影仪光学引擎系统设计

第一章绪论

第一章　绪　论

§1.1 投影显示技术

进入 21 世纪以来，随着科学技术的发展，人类正逐步迈入信息社会。人们获

取信息的方式和手段呈多种发展趋势。显示作为信息传递的终端，在商务、教育、

科研及娱乐等各方面起着越来越重要的作用。

随着工艺以及各种器件渐趋成熟，作为显示技术的一个分支，投影显示技术

在近几年得到了极大的发展，已成为世界上增长最快速的市场之一。采用投影显

示技术制造的投影仪，按照功能，可以分为家庭影院型、便携商务型、教育会议型

主流工程型以及专业剧院型等；按照尺寸，可以分为口袋式（Pocket

Projector）、皮口式（Pico Projector）以及一般尺寸的投影仪[1,3]。

口袋式和皮口式投影仪都属于微型投影仪，只不过前者的体积较后者大，亮

度也较后者更亮。这种微型投影仪的需求随着人们对便携性要求的增长而日益增

多。屏幕输出亮度与系统体积之间的矛盾，成为影响微型投影仪性能最为关键的

因素。如何设计一款体积小、亮度高、性能好、功耗低、成本小的微型投影仪，是众

多设计者孜孜以求的目标。本文将结合当前的技术发展现状，具体探讨口袋式微

型投影仪的光学引擎系统设计技术。

投影技术可分为前投技术与背投技术。前投是指投影机位置与观众处于屏幕

同侧，投影机发出的光线投射到屏幕，在屏幕上形成图像，光线再反射到观众眼

睛。背投是指投影机位置与观众处于屏幕异侧，投影机发出光线从屏幕一侧直射

到屏幕，光线透过屏幕进入观众眼睛。本文讨论前投技术。

投影仪的核心部分，称为光学引擎，包含光源、照明系统、投影物镜以及机械

结构。不同的投影显示技术采用的器件与结构方式不同，目前主流的投影仪中主

要采用三种解决方案，分别是LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示）、

DLP（Digital Light Processing，数字光处理）与LCOS（Liquid Crystal on

Silicon，硅基液晶），详细介绍如下。

§1.1.1 光学引擎方案比较

§1.1.1.1 LCD 投影光学引擎

LCD 投影光学引擎中的核心显示器件是液晶面板。投影仪利用液晶的光电效应，

即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，

从而影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。LCD 技术已经发

展多年，相对来说比较成熟。液晶面板外观如图 1-1 所示。

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摘要摘要随着投影显示系统技术的发展，市场对投影仪的需求日益增多。采用LED光源的微型投影仪成为人们的一个重要选择。开发体积小、亮度高、光源寿命长、性能高的微型投影仪，成为世界上各大投影厂商的目标。本文设计了一种新型的微型投影仪光学引擎，该系统采用DLP技术，并使用LED芯片作为系统光源，有效的减小了系统体积。该光学引擎由照明系统与投影物镜系统两部分组成，分别在LightTools和CODEV软件中进行仿真优化设计，并使用Pro/Engineer软件进行整体光学引擎系统的机械结构设计。照明系统由光源、集光系统、合光系统、匀光系统、TIR棱镜组成。集光系统由CPC复合抛物面聚光器与非球面透镜组成，...

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