logo资料库

TIR透镜的设计 Matlab, Solidworks和 lighttools联合使用.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.29M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共6页
第2页 / 共6页
第3页 / 共6页
第4页 / 共6页
第5页 / 共6页
第6页 / 共6页
资料共6页，全文预览结束
    第37卷 第7期 红 外 技 术 Vol.37 No.7 2015年7月 Infrared Technology July 2015 582 〈系统与设计〉 用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计 刘雁杰，惠 彬，李景镇，丁金妃，朱天龙 （深圳市微纳光子信息技术重点实验室，广东 深圳 518060） 摘要：为了提高DLP投影照明系统中准直部分的准直度并简化准直光路，采用一种自由曲面的TIR透镜作为DLP投影照明系统的准直器件。首先根据空间斯涅耳定律推导出反射曲面以及透射曲面母线上的点的坐标关系，并采用迭代的方法使用Matlab软件计算出母线上各个点的坐标并绘制出曲线图形，然后利用Pro/Engineer对TIR准直透镜进行建模得到TIR准直透镜的模型。分别用理想点光源和扩展光源进行模拟，经过TIR透镜准直后光束发散角在±7°以内，并根据选用的DMD芯片和LED光源选择合适的TIR透镜参数，建立DLP投影照明系统后进行模拟仿真，最终均匀度达到了90%，满足了投影照明系统的需求。 关键词：自由曲面；DLP；投影照明；准直透镜；光学设计 中图分类号：TN321.8 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2015)07-0582-05 Design and Simulation of Free-form TIR Collimating Lens Used in DLP Projector System LIU Yan-jie，HUI Bin，LI Jing-zhen，DING Jin-fei，ZHU Tian-long (College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China) Abstract：In order to improve the collimation efficiency of illumination system of DLP projector and simplify the optical path, a free-form TIR lens is used as the collimating component. The coordinates of profile curve of the transmitting part and total reflecting part are calculated by Matlab according to the Snell’s law and iterative method at first. Then the TIR lens model is established with Pro/E. The ideal point source and surface source are also used to do the simulation. The view angle is collimated to ±7° by the TIR lens. Finally, the suitable parameter of TIR lens is set according to DMD chip and LED source. The final uniformity of DLP illumination is about 90%, which can meet the related standard. Key words：free-form surface，DLP，projector illumination，collimating lens，optical design 0 引言 现代投影技术按照投影显示芯片的不同可以分为LCD投影技术、LCOS投影技术和DLP投影技术。其中DLP投影技术，即数字化光处理（Digital Lighting Processing）投影技术，是目前运用比较广泛的一种投影技术。LED光源具有体积小、寿命长以及色彩多样性等优点，常用来作为便携式DLP投影照明系统的光源[1-3]。 基于LED光源的DLP投影系统可分为照明和成像两个部分，其中照明部分起着光学引擎的作用，即对LED发出的光进行准直和匀光，使入射到DMD芯片上的光呈矩形均匀分布[4]。LED的准直效果是决定照明部分匀光效果的重要因素。在DLP投影照明系统准直部分中，国内外研究人员采用多种结构进行光学设计：南开大学的赵星[5]等人采用自由曲面聚光器，但口径太大从而会使整个投影系统光学体积太大；电子科技大学的芮大为[6]采用矩形CPC（复合型抛物面收集器）和2个聚光透镜作为准直系统，得到光束发散角为±8°。 收稿日期：2015-03-02；修订日期：2015-06-02。 作者简介：刘雁杰（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为光学设计。E-mail：liuyanjiephelps@foxmail.com。 通讯作者：惠彬(1977-)，女，副教授，博士，主要研究方向为光学设计。E-mail：huibin@szu.edu.cn。 基金项目：国家专项基金项目，编号：61027014；深圳市科技计划项目，编号：JCYJ20140418095735582。
    第37卷 第7期 Vol.37 No.7 2015年7月 刘雁杰等：用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计 July 2015 583 本文基于Snell定律设计了一种自由曲面TIR（total internal reflection，全内反射）准直透镜，并建立了TIR透镜模型和DLP照明系统的光路模型，分别采用点光源和朗伯型扩展光源进行模拟仿真，最终能够满足投影照明的需求。本设计采用单个TIR准直透镜作为准直器件，取代多个器件构成的准直系统，具有体积小、准直效果好的优点，因此适用于微型投影照明系统。 1 自由曲面TIR透镜的模型分析 图1所示为自由曲面[7]TIR透镜的剖面图形，其中Curve1是全反射自由曲面的母线，Curve2为透射自由曲面的母线。光源位于底部中心，光源发出的光经过TIR透镜分成透射光路和全反射光路2部分。因此，只需要计算出Curve1和Curve2上点的坐标，利用软件绘制出整个TIR剖面轮廓，就可以利用建模软件将其沿着中心轴旋转360°得到TIR立体模型。 图1 自由曲面TIR透镜剖面图 Fig.1 Profile of free-form TIR lens 1.1 全反射自由曲面母线坐标计算 建立图2所示的坐标系，设定TIR透镜中心轴为y轴，光源位置为坐标原点。假设光源为理想点光源，则从原点的出射光线先经过平面折射进入TIR透镜，然后经过全反射自由曲面发生全反射后变成平行光出射。 1θxyR1iQ+iQ1Q0Q0P1PiP1iP+rOmaxθ 图2 全反射自由曲面的计算 Fig.2 Calculation of total reflective free-form surface θmax为光源入射TIR透镜全反射自由曲面的最大入射角，并将其平均分为N份。θi是光源发出的光线与y轴的夹角，则max90iiNθθ=°−（i＝1, 2, …）。P0, P1, …, Pi是入射角为θ0, θ1, …, θi时与直线x＝r的交点，Q0(x0, y0), Q1(x1, y1), …, Qi(xi, yi)为光线入射至TIR透镜后与全反射面母线的交点。 先推导x1与x0的关系，由图设P0(r, 0), Q0(x0, y0)，θ0为0OP与y轴夹角，可知P0(r, rcotθ0)并令Q1(x1, y1)，设1OP单位矢量为1p，11QP的单位方向向量为1q，则由空间Snell定理[8]可知： 111nqpPN−= 式中：P为常量；N为单位法向向量。 ()11111sin,cosOPpOPθθ== 由以上2式可以推知， +==nnKQPQPq11111111cos,sinθθ 1QR平行于y轴，故1QR单位法向矢量为(0, 1)，并设反射面上Q1处法线矢量为()yxNNN,1，则同理根据Snell定理，对于光线P1Q1和Q1R1，即： ()()111110,1sin,cosnqNKnθθ−==−+− (1) 11QP和1q为共向向量，则可得： 111qkQP′= （k′为非零常数） 而()11111cot,θryrxQP−−= 由此可得： 111111coscotsinθθθryKrx−=+− (2) 而01QQ与1N垂直，则有0110QQN= 即得到： 101101()()xxxNyyNy−+− (3) 由空间Snell定理可知：
    第37卷 第7期 红 外 技 术 Vol.37 No.7 2015年7月 Infrared Technology July 2015 584 11221sincosθθ−−=nK (4) 由式(1)(2)(3)(4)可求出x1与x0的关系式，代入(x0, y0)可求出(x1, y1)，类似地，我们可以得出(xi, yi)与(xi＋1, yi＋1)的递推关系式，即有： ()()()−−=−=+−=−=+−=−+−+++iiiiyiixiiiiiiyiiixiiinPnNKNryKrxNyyNyxiiθθθθθθθsincoscossincoscotsin022111 1.2 透射自由曲面母线坐标计算 图3为透射自由曲面计算的示意图，首先计算P1(x1, y1)，设OP0和P0Q0分别为入射和出射光线，则有：y1＝x1cotθ1，而0OP的单位方向矢量为： ()000cos,sinθθ=p iθxy0(,0)Pr1PiP1iP+O0Q1Q1iQ+iQ 图3 透射自由曲面的计算 Fig.3 Calculation of transmitting free-form surface 由于00QP平行于y轴，故00QP的单位方向矢量为()1,0q，由空间Snell定律可得： 00Npqn=− 式中：N0为P0点法向量，则可以得到： ()000sin,cosNnθθ=−− 而()010110,yyxxPP−−=，P1在过点P0切线与法向量的交点，则有0100PPN=， 可得： －sinθ0(x1－x0)＋(n－cosθ0)(y1－y0)＝0 (5) 且 202000sinyxx+=θ，202000cosyxy+=θ (6) 根据式(5)(6)以及(x0, y0)的坐标，可求出P1点坐标(x1, y1)。同理可以推出Pi＋1(xi＋1, yi＋1)与Pi(xi, yi)的关系： ()()()==−−+−−++iiiiiiiiixyyynxxθθθcot0cossin11 2 自由曲面TIR透镜及其准直效果模拟仿真 根据1.1和1.2所推导的递推关系式，设定r的初始值为3.5 mm，TIR透镜材料为PMMA，设定材料折射率n＝1.4935，并设定Q0(x0, y0)＝(4, 0)，设定θmax初始值为60°（不同角度对应TIR口径不同，选用60°是与DMD芯片尺寸对应），且N＝3000。 首先采用迭代法在Matlab软件中编程分别求出全反射自由曲面和透射曲面母线上的点的坐标并绘制曲线和曲面，如图4所示。 然后将Matlab所计算出的点坐标导入Pro/Engineer软件，绘制出TIR透镜的模型。最后将该TIR透镜模型导入Tracepro软件，在Tracepro软件中采用理想点光源进行TIR准直效果模拟仿真。 图5为在Tracepro软件中建立的TIR仿真模型，图6是在距TIR透镜80 mm处的坎德拉分布图。从图5中可以看出，理想光源发出的光分为两部分，一部分经过全反射自由曲面后变成接近平行的光束，另一部分经过透射自由曲面折射后也变成接近平行的光束从TIR透镜出射。从图6中可以看出，自由曲面TIR透镜把从理想光源发出的光准直在±7°以内，能够满足后续匀光系统的准直需求。 3 基于自由曲面TIR准直透镜的DLP投影照明系统模拟分析 基于LED光源的单片式DLP投影照明系统包括准直系统、合束系统、匀光系统和中继系统4个部分[9]。在Tracepro中建立基于RGB三基色LED光源的投影照明系统模型，并采用自由曲面TIR透镜作为准直系统，如图7所示。
    第37卷 第7期 Vol.37 No.7 2015年7月 刘雁杰等：用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计 July 2015 585 图4 全反射和透射自由曲面的母线以及曲面 Fig.4 Generatrix and profile of the total reflective and transmitting free-form surface 图5 自由曲面TIR透镜的仿真 Fig.5 Simulation of free-form surface TIR lens 图6 探测器上光强分布图 Fig.6 Candela distribution plot on detector 合束系统采用2片二向色滤光片，类似于LCD投影系统中的X-cube棱镜，其中一片对蓝光和绿光透射且反射红光，而另一片对红光和绿光透射且反射蓝光。 匀光系统采用整体复眼透镜[10-12]，整体复眼透镜相对于积分棒具有光学长度小且匀光效果好的优点[13]，它的两个微透镜阵列面相互对称，其中每个微透镜单元尺寸为2 mm×1.5 mm，材料为PMMA。 中继系统采用两片凸透镜将光束聚焦至DMD芯片表面，材料为BK7，凸透镜的焦距可以根据DMD芯片的位置确定。 由于实际的LED光源并非理想点光源，而是具有一定尺寸的扩展光源，在这里选用Luminus Devices公司的PT39芯片，发光尺寸为2.09 mm×1.87 mm。本文在计算TIR透镜的自由曲面时把LED作为点光源处理，因此在这里分别用点光源和2.09 mm×1.87 mm的朗伯型扩展光源进行模拟并对比。设定接收屏尺寸为20 mm×20 mm，在接收屏上得到图8所示照度分布图，在软件中根据照度图得出了表1的相关参数。 从图8可以看出，扩展光源和点光源一样在经过DLP照明系统后最终都在接收屏形成9.6 mm×12.8 mm的矩形光斑。模拟中采用德州仪器公司0.55英寸的DMD芯片，微镜阵列的对角线长0.55英寸且两边之比为3:4，两边长度分别为8.382 mm和11.176 mm，因此矩形光斑恰好完全覆盖DMD的微镜阵列且留有1～2 mm的余量。点光源和扩展光源最终呈现在DMD芯片的矩形光斑均匀度分别为91.95%和95.7%，均超过90%并达到了投影照明的需求。在不考虑照明系统中器件的吸收和散射等损耗的情况下，点光源和扩展光源经过DLP照明系统的光能利用率为87.6%和78.6%，扩展光源在传输过程中损失了更多的光能，这是由扩展光源的尺寸造成的。 图7 DLP投影照明系统结构 Fig.7 The layout of the illumination system of DLP projector
    第37卷 第7期 红 外 技 术 Vol.37 No.7 2015年7月 Infrared Technology July 2015 586 图8 点光源（上）和扩展光源（下）在DMD的照明光斑 Fig.8 Light spot on DMD of point source(up) and extended source(below) 表1 两种光源的照明结果 Table1 Illumination result of the two source 参数 点光源 扩展光源 光斑尺寸/mm 9.6×12.8 9.6×12.8 最大值/(W/m2) 22971 20312 均匀度 91.95% 95.7% 4 结论 本文根据空间Snell定律以及几何关系推导出自由曲面TIR透镜母线上坐标点的递推关系，用Matlab结合迭代法求出一系列坐标值，将坐标点拟合成曲线并导入到建模软件Pro/Engineer建立自由曲面TIR透镜模型，采用理想点光源在Tracepro中模拟得到光束的发散角为±7°。然后将自由曲面透镜模型导入到光学软件Tracepro中，并设计单片式DLP投影照明系统的光路系统。分别采用理想点光源和2.09 mm×1.87 mm朗伯光源进行模拟，最终形成的光斑恰好覆盖0.55英寸的DMD芯片且留有余量，照度均匀性超过了90%，能够满足投影仪照明系统的需求。最终设计的TIR透镜可采用CNC加工开模，且曲面面型可通过轮廓仪进行检测。采用自由曲面TIR准直透镜减小了光学系统的体积，其良好的准直效果也为DLP照明系统的后续光路设计做好铺垫。 参考文献： [1] 田文超, 贾建援. DMD及DLP显示技术[J]. 仪器仪表学报, 2005, 26(8): 358-359. [2] YU X J, HO Y L,T AN L, et al. LED-based projection systems[J]. Display Technology, 2007, 3(3): 295-303. [3] 刘祖明, 黎小桃. LED照明设计与应用[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2014: 2-6.
    第37卷 第7期 Vol.37 No.7 2015年7月 刘雁杰等：用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计 July 2015 587 [4] 刘旖, 林祖伦, 祁康成, 等. 基于LED光源的单片式DLP照明系统设计[J]. 光电工程, 2011, 28(9): 99-103. [5] 赵星, 吴宏超, 宋丽培, 等. 微型投影机自由曲面LED聚光器的设计[J]. 光学·精密工程, 2010, 18(10): 2123-2129. [6] 芮大为. LED微型投影光源的二次光学设计[D].成都: 电子科技大学, 2012. [7] 顾国超, 刘洪波, 陈家奇, 等. 基于Supporting-Ellipsoid方法的自由曲面构造[J]. 中国光学, 2014, 7(5): 823-829 [8] 李晓彤, 岑兆丰. 几何光学, 相差，光学设计[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 2009: 6. [9] 魏葰, 贾宏志. 超高亮度LED微型投影仪照明系统设计[J]. 光学仪器, 2011, 33(3): 62-66. [10] ZHAO X, FANG Z L, CUI J C, et al. Illumination system using LED sources for pocket-size projectors[J]. Appl Opt, 2007, 46(4): 522-526. [11] Giel B V, Meuret Y, Thienpont H. Using a fly’s eye integrator in efficient illumination engines with multiple light-emitting diode light sources[J]. Opt Eng, 2007, 46(4): 013001-1—013001-6. [12] Pan J W, Wang C M, Lan H C, et al. Homogenized LED-illumination using micro-lens arrays for a pocket-sized projector[J]. OPTICS EXPRESS, 2007, 15(17): 10483-10491. [13] 刘旖. 微投影仪的照明光路设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2012: 23-33. 全国第十五届红外加热暨红外医学发展研讨会征文通知 由中国光学学会红外与光电器件专业委员会、中国光学光电子行业协会红外分会、国家红外及工业电热产品质量监督检验中心、中国机械工程学会工业炉分会、锦州市光学学会、云南省光学学会、中国电子学会量子电子学与光电子学分会、中国电工技术学会电热专业委员会联合主办，国家红外及工业电热产品质量监督检验中心、福建省中医药研究院承办，《红外技术》编辑部、《工业加热》编辑部等协办的全国第十五届红外加热暨红外医学发展研讨会，定于2015年10月在福建省福州市召开。 本届会议主要反映与交流近年来，红外加热技术及红外医学领域的新成果和新进展。会议重视学术交流的质量与成效，扩展各学科及技术领域之间的信息交流，最大限度地推动红外加热与红外医学技术应用及产业化。为此，在开展正常学术交流的同时，本届会议将增加相关的行业信息交流与新产品展示；并就广大企业普遍关注的专业技术问题，邀请国内红外光电领域的知名专家、学者到会做专题技术报告。热诚欢迎从事红外加热与红外医学研究及工程应用的科研人员、医疗专家踊跃投稿并参会！大会学术委员会届时将评选会议优秀论文，并推荐到中文核心期刊《红外技术》和《工业加热》期刊发表。 一、应征论文范围1. 红外加热与红外医疗技术在国民经济中地位、作用及发展前景的综述、评论； 2. 红外辐射与物质、人体相互作用，红外加热及红外医疗理论与机理的研究； 3. 红外加热元件、红外辐射涂料的新成果、新工艺及相关技术研究； 4. 各种红外加热装置的优化设计与制造及应用实例剖析； 5. 红外加热检测技术、物质的红外光谱及相关技术研究； 6. 红外加热技术在节能减排方面的研究成果； 7. 红外加热在生物学与医学中的应用等； 8. 红外医学新仪器、新材料、新技术、新成果及国内外发展动向； 9. 红外医学的临床理论研究，临床应用研究； 10. 红外加热技术在建筑供暖领域的应用研究； 11. 红外加热技术与红外保健产品在日常生活领域的应用研究； 12. 相关的红外激光、太赫兹、微波、毫米波研究与应用。 二、应征论文作者请在2015年9月20日前，将论文全文的电子文档发送到E-mail：1171288057@qq.com或zengyu18@sina.com；或寄到：国家红外及工业电热产品质量监督检验中心（邮政编码：430048）曾宇教授收。并请作者注明详细通讯地址、工作单位及职务、职称和邮政编码。 三、经审稿录用的论文及论文摘要集，将由《红外技术》编辑部、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社编辑出版。 四、会议筹备组的通信地址：武汉市东西湖区金银湖东二路5号，国家红外及工业电热产品质量监督检验中心（邮政编码：430048） 联系人：曾 宇，吴 迪 电话：027-68853723，027-85808990 传真：027-85795691 E-mail：1171288057@qq.com、zengyu18@sina.com。 全国第十五届红外加热暨红外医学发展研讨会筹备组
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料