微型投影机中针对多色LED光源的反射环设计*

2015-02-28王飞霞张宇宁王婕妤李晓华

电子器件 2015年6期

王飞霞，缪华，张宇宁，王婕妤，李晓华*

（1.东南大学电子科学与工程学院，南京 210096；2.解放军国际关系学院信息管理中心，南京 210039）

微型投影机（Pico Projector）又称便携式投影机，将传统庞大的投影机微型化、便携化、实用化，使投影技术更贴近生活和娱乐［1-5］。其构造主要由光学单元、散热单元和电路单元等3个单元组成。光学单元是其核心单元，能直接决定投影机所能达到的画面品质［6］。光学单元由光源、显示芯片和成像系统组成［7］。随着投影机的微型化，投影技术的发展，人们对光源的要求越来越高，希望光源模块小体积，并且得到高亮度的光束［8］。一般来说可以将三色LED芯片封装在同一衬底上，这样的光源具有结构简单、尺寸小的优点，但是亮度低。将三色LED分开来封装，并结合二向色滤光片，该组合具有亮度高的优点，但是会增加体积［9］。本文研究并分析了（1）球形反射环、（2）绕抛物线过顶点的对称轴旋转得到的双抛物面反射环和（3）绕过抛物线焦点并与顶点和焦点连线垂直的直线旋转得到的双抛物面反射环等3种反射环，能够实现将三色LED封装在同一衬底上，减小结构尺寸并提高LED芯片处的亮度。

1 方法

图1为圆形和抛物线反射示意图。图1（a）为圆形反射示意图。O为圆心，A、B关于O点成中心对称，从O点发出的光线到达D点后，反射回O点，从A点发出的光线到达C点后，反射到B点。图1（b）为抛物线反射示意［10］。P1、P2为抛物线，焦点为O点，过顶点的对称轴为L1，且P1、P2关于L2对称。从O点发出的光线到达D点后，反射到E点，再反射到O点，从A点发出的光线到达C点后，反射到E点，再反射到A点，即对于图1（b）所示的抛物线，对称轴L1上位于封闭抛物线圈内的任意一点发出的光线经两次反射后能够回到该点。

图1 圆形和抛物线反射示意图。

将曲线绕对称轴旋转，去掉不需要的部分，得到如图2所示的反射环。图2（a）为坐标示意图，图2（b）为球形反射环，图2（c）为双抛物线绕对称轴L1旋转所得的反射环，图2（d）为双抛物线绕对称轴L2旋转所得的反射环。LED位于反射环开口较大的一面，即XY面，光线反射回LED的数量与孔径（Aperture）的大小有直接关系，孔径越小，返回的数量越多，光线最终从孔径输出（Output）给后面的器件。本文使用光学仿真软件ZEMAX，对上述反射环进行仿真。设置反射环开口较大的一面高度9 mm，较小的一面高度为5 mm。双抛物线的顶点的曲率半径为9 mm。

由上述圆形和抛物线的反射知识，可以推测对于图2（b）所示的结构，LED发出的光线经过反射能够到达与LED呈中心对称的位置，适合在中心对称的位置放置相同颜色和尺寸的LED芯片来提高亮度；对于图2（c）所示的结构，LED发出的光线经过反射能够到达与LED呈轴对称的位置，适合在轴对称的位置放置相同颜色和尺寸的LED芯片来提高亮度；而对于图2（d）所示的结构，LED发出来的光线经过反射能够到达LED本身，所以这种结构对于不同位置的LED芯片的颜色和尺寸没有特殊要求。

图2 反射环示意图。

2 模拟结果

通过光学软件仿真模拟，得到如图3所示的将4个绿色，尺寸为1 mm×1 mm的LED置于XY平面的中心时，距离LED芯片距离为0.01 mm处（可近似为光源所在平面）的真彩色“True Color”模式图［11］，相比于伪彩色“False Color”模式图，真彩色模式图可以反映图像的真实色彩。图3（a）为无反射环时的真彩色模式图，图3（b）为双抛物线绕L1轴旋转所得的反射环的真彩色模式图，图3（c）为双抛物线绕L2轴旋转所得的反射环的真彩色模式图，图3（d）为这3种真彩色模式图中中心点所在的水平截面的归一化亮度图。由图易知，反射器对LED芯片处的亮度具有明显的提高效果，在XY面中心处，两种抛物面反射环的效果接近，但是在边缘处，绕L2轴旋转的双抛物面反射环的光线比绕L1轴旋转的双抛物面反射环的光线较为分散。

图3 距离LED芯片为0.01 mm处的光线真彩色模式图和横截面归一化亮度分布图。

图4为将1个绿色，尺寸为1 mm×1 mm的LED置于XY平面时，距离LED芯片为0.01 mm处的真彩色模式图，从左至右的四列分别是无反射环、球形反射环，绕L1轴旋转的双抛物面反射环和绕L2轴旋转的双抛物面反射环。图4（a）中的LED中心位于X=0.5 mm，Y=0.5 mm处，图4（b）中的LED中心位于X=1.5 mm，Y=0.5 mm 处，图 4（c）中的LED中心位于X=1.5 mm，Y=1.5 mm处。由图可见，反射后的图与方法部分的推测接近，但是LED离XY面中心点越远，其反射回来的光线越分散，对于绕L2轴旋转的双抛物面反射环来说，其光线分散最为明显。

图4 单个LED位于XY平面，距离LED芯片为0.01 mm处的光线真彩色模式图。

图5 真彩色模式图。

图5所示为16个彩色LED置于XY平面时，距离LED芯片为0.01 mm处的真彩色模式图，图5（a）为无反射环，图 5（b）为球形反射环，图 5（c）为绕L1轴旋转的双抛物面反射环，图5（d）绕L2轴旋转的双抛物面反射环。由图5可见，绕L1轴旋转的双抛物面反射环效果最好，周围光线的分散较少，绕L2轴旋转的双抛物面反射环次之，球形反射环效果最差。

图6所示为球形反射环和绕L2轴旋转的双抛物面反射环中，4个LED置于XY平面的中心点周围，距离LED芯片为0.01 mm处的光线真彩色模式图。图6（a）、图6（b）为对角处的LED颜色和尺寸相同时，无反射环和球形反射环中的光线真彩色模式图，图6（c）、图6（d）为对角处的LED颜色，尺寸都不同时，无反射环和绕L2轴旋转的双抛物面反射环中的真彩色模式图。

图7为图6（c）、图6（d）中上面两个LED距离焦点所在水平线为0.25 mm处的横截面归一化亮度分布图。由图6、图7可知球形反射环和绕L2轴旋转的双抛物面反射环对于距离中心点较近的LED的反射效果较好，LED处的亮度都能得到明显提高，且对于绕L2轴旋转的双抛物面反射环来说，其任意一个LED对其他位置处的LED没有影响。

图6 真彩色模式图。

图7 4个彩色LED置于XY平面，距离LED芯片为0.01 mm处的横截面归一化亮度分布。

3 总结

本文研究并分析了3种不同的提高多色LED芯片处亮度的反射环。3种反射环对位于靠近焦点位置的LED都有较好的反射效果，能够提高每个LED芯片轴对称或中性对称或自身位置处的亮度。但是对于球形反射环，处于中心对称位置上的两个LED芯片，需要颜色和尺寸相同，距离焦点稍远的位置，其反射效果不好，光线较分散；对于绕L1轴旋转的双抛物面反射环，处于轴对称位置上的LED芯片，需要颜色和尺寸相同，距离焦点稍微远的位置，仍有较好的反射效果；绕L2轴旋转的双抛物面反射环对LED芯片的颜色和尺寸皆无要求，位于反射环焦点周围的LED芯片发出的光线能够返回到其本身，且光线较为集中，非常适用于需要高亮度、小体积的微型投影机光源模块。本文只是研究并分析了3种能够提高LED芯片处的亮度的反射环，对于实现从孔径输出的光线的均匀照明还有待进一步研究。

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