文章编号:100525630(2004)0420036205液晶投影机光棒照明系统的分析与设计Ξ王蔚生,窦晓鸣,黄维实(上海交通大学光学工程研究所,上海200030)摘要:提出了一种采用光棒为光积分元件、PBS棱镜为偏振转换元件的液晶投影机照明系统,分析了影响照明系统性能的主要因素,进而提出了相应的设计方法,设计与实际取得了良好的一致。关键词:光棒;照明系统;投影机中图分类号:TN873.93;TH741.5文献标识码:AAnalysisanddesignofopticaltunnellightingsystemforliquidcrystalprojectorWANGWei2sheng,DOUXiao2ming,HUANGWei2shi(InstituteofOpticalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Alightingsystemforliquidcrystalprojectorbyusingopticaltunnelasopticalintegrationelement,PBSprismaspolarizationelementisreportedinthispaper.Theprimaryfactorsthatinfluencethepropertiesofthelightingsystemareanalyzed.Thedesignmethodisgiven.Theresultandthedesigngowell.Keywords:opticaltunnel;lightingsystem;projector1引言液晶投影显示器具有体积小、重量轻、分辨力高、大画面和无辐射等优点,可广泛应用于会议、商务活动、教学和家庭娱乐等领域。作为影像领域中的新兴产业,近年来投影显示器发展十分迅速。目前国内的投影显示器市场主要由国外品牌的产品占领,价格较高,即便低端产品的价格也在2万元左右,这种情况同国内的个人平均消费水平仍有一定距离。光学引擎是液晶投影显示器的核心,而照明系统则占据了光学引擎相当大的一块成本。传统的液晶投影机多数采用蝇眼透镜(flylens)与PBS(polarizedbeamsplitter)阵列来构成其照明系统[1],采用这两种元件的投影机照明系统在结构紧凑性、光能量利用率等方面具有良好的性能,但价格高、制作困难、初期投入大。开发成本低、性能适中、工艺简单的投影机照明系统对于降低光学引擎的成本、并进而降低液晶投影机的市场价格具有极大的意义。现介绍一种用于液晶投影机的新型照明系统,主要由旋转椭球面高压汞灯(UHP灯)、光棒、PBS棱镜、可见波段带通滤光片组成,该照明系统具有初期投入小、价格低、工艺简单的优点。第26卷第4期2004年8月光学仪器OPTICALINSTRUMENTSVol.26,No.4August,2004Ξ收稿日期:2003210223基金项目:上海市科委光科技行动计划资助项目(011661078)作者简介:王蔚生(19672),男,福建古田人,副教授,博士,主要从事显示技术和光学工程方面的研究。©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2系统的工作原理2.1系统的光路布局投影机光棒照明系统的光路布局,如图1所示。图1投影机光棒照明系统的光路布局1—椭球反光碗UHP灯;2—光棒;3—反紫外、反红外滤光片;4—准直透镜;5—PBS棱镜。发光体发出的光基本上呈旋转对称分布,两电极的连线为其旋转对称轴,另外还有一个通过两电极连线的中心且垂直于两电极连线的对称面。发光体发出的光束集中在一定的角度范围内。工作时,发光体的两电极连线的中心位于椭球反射镜的一个焦点附近且两电极位于椭球反射镜的旋转对称轴上。光束经椭球反射镜反射后,会聚于椭球反射镜另一个焦点(通常称为第二焦点)附近,光棒的一端在这个位置附近,且中心轴线与椭球反射镜的旋转对称轴重合。光在光棒内来回反射,实现不同角度光的混合,从而在光棒的输出端得到均匀化的光场。反红外、反紫外反射镜用于滤除红外光和紫外光。之后是准直透镜,其焦点位于光棒出射截面的中心,光轴与椭球反射镜的旋转对称轴重合。光棒出射截面上的一点发出的光束经准直透镜后成为平行光束,平行光束与光轴的最大角度Ηmax可由下式确定:tan(Ηmax)=D2f(1)其中D为光棒出射截面对角线的长度,f为准直透镜的焦距。光在通过准直透镜之后,到达PBS棱镜。PBS棱镜由一个直角棱镜、一个斜方棱镜和一块半波片粘贴而成,其入射面与准直透镜的光轴垂直,中心位于准直透镜的光轴上。入射光束进入PBS棱镜后在第一个反射面处分解为P偏振光和S偏振光,其中的P偏振光(或S偏振光)的偏振方向在出射面由半波片转换为S偏振光(或P偏振光),这样,全部输出光就转换为偏振光束,从而满足投影机液晶板对偏振光的要求。2.2光棒的工作原理投...
