张云翠 刘龙 杨轶 曹冠英 张竞辉 邹念育

(1.大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034;2.大连东软信息学院嵌入式系统工程系，辽宁大连 116023)

1 引言

随着发光二极管 (LED)的效率持续快速提升以及高亮度LED芯片的加工与封装技术的迅速成熟，RGB三色LED已经面世并逐渐得到应用。2005年，安捷伦科技公司 (Agilent)推出业界最薄的顶部发光 RGB三色 表面安装 LED——HSMF-C114。这款厚度仅0.35mm的顶部发光RGB三色 片式LED据称为首款在如此小的封装中包含了红绿蓝芯片，它可用在超薄型手提产品，并有多种背景光色彩选择［1-3］。

高光强、小体积使RGB三色LED光源成为投影仪、电视、显示等仪器的新宠。各国相关的生产厂家都在积极研制采用RGB三色LED光源的新型仪器［4］。日本 Jun Ogawa研制的LEDRGB三色 投影系统的照明光源具有重量轻、尺寸小、使用寿命长等特点，在电视、投影仪等商业领域成为行业的领军产品。2008年，韩国LG显示器宣布开始量产供货配备红 (R)、绿 (G)、蓝 (B)三色 LED背照灯17.1英寸笔记本电脑宽屏平板。该面板色彩表现性为NTSC比105%，比现有的CCFL(冷阴管)型提高了40%，对比度也高了30%。目前，RGB LED背照灯已经开始供应液晶电视和个人电脑显示器。

2 RGB三色LED光源

利用光学设计软件LIGHTTOOLS进行照明系统设计，由于光源的特殊性，需要按照光源性能的参数对光源进行建模，RGB三色LED光源的模型如图1所示。

图1 RGB三色LED模型图

四个单色LED发光芯片的尺寸分别0.8×0.8 mm2，单色光源分别为两个蓝色发光芯片，1个绿色发光芯片和1个红色发光芯片，分布情况见图1。光源出射角度为120°，出射光强度和光谱分表按表1提供的参数进行设定。

表1 RGB三色LED光源性能参数表

本文设计的光学系统采用的欧司朗公司2009年推出的光源，该光源具有光强更高、体积更小的特点。RGB三色LED光源性能是决定系统结构设计的重要因素，该光源的性能参数如表1。

由表1可见，该款RGB三色LED的出射光亮度达到107数量级，单颗RGB三色LED光源可替代传统的卤钨灯和多颗单色LED光源，同时辐射面面积为2×2 mm2，在体积上只有普通白光 LED的几分之一，是传统卤钨灯的几十分之一。利用该光源设计投影仪、背投电视、大屏幕显示等的照明系统可以使结构简化、体积减小、操作方便。

3 系统设计

LED作为投影系统光源也经历了从多颗单色LED光源到RGB三色LED光源的变革过程。前者采用分立的三种颜色的LED来满足照明亮度和色彩的要求，利用蝇眼透镜组进行光线出射方向的调整和控制。由于光源数量多，系统结构复杂，使LED光源照明的优势体现的不明显。随着RGB三色LED光源采用封装在小尺寸的LED芯片组，替代多颗单色LED，大大降低系统的复杂程度，使得照明系统发生根本变革［5］。

数字微反射镜的RGB三色LED照明系统的作用是将光源发出的光线经过导光管、会聚透镜后会聚到反射镜上，经过反射镜照射在数字微反射镜上，实现彩色照明。该照明系统的结构示意图见图2。

图2 RGB三色LED照明系统结构图

采用单颗RGB三色LED替代传统的卤钨灯光源及多颗单色LED光源使系统体积明显降低;任意形状的导光管设计能够实现空间最合理分布;会聚透镜将光线会聚到反射镜后经过反射镜的光线照射到数字微反射镜上，能够有效避免光线直射，利于环保。

在RGB三色LED照明系统中，导光管由树脂材料制成，可根据实际情况进行弯折，满足空间分布的要求使系统结构简化。导光管对光线的传输作用的示意图见图3。

导光管对光线的传输作用与树脂的折射率n有直接关系，树脂材料的折射率为n=1.52，LED光源的出射角度为120°，在导光管的端面的光线偏折情况见图3，光源发出的光线的最大入射角度θ1=60°，此时根据折射定理进入导光管的折射光线的折射角度θ2=35°，该方向光线到达导光管侧壁的角度θ3=55°。根据全反射原理计算得到在侧壁发生全反射的最大入射角度为42°，θ3>42°，光线在光导管侧壁发生全反射，在导光管的输出端射出。经证明导光管在系统中不改变光源的出射角度，只起到光线传输的作用。

图3

利用设计完成的RGB三色LED光源，并使用导光管改变光线的出射方向和角度，由导光管出射的光线作为会聚透镜的入射光线，按照几何光学的物象关系，确定透镜的焦距和曲率半径及反射镜的位置，设计完成的数字显微镜照明系统如图4所示。

图4 LED照明系统结构图

图4中给出了系统的主要组成部分，其中光源由RGB三色LED组成，设计参数满足表1的要求，导光管部分可以任意改变长度和形状控制出射光线的位置和出射角度，透镜将导光管出射的光线进行会聚并均匀照射在反射镜上。

4 结果分析

光源发出的光线经过导光管和会聚透镜照射在反射镜上，会聚光斑的效果如图5、图6所示。图5是光线到达反射镜表面的照度分布图，图6是光线到达反射镜表面的光强分布图。由图5可见光线在反射镜上的照度分布均匀，该设计结果对实现整个显示器的范围内均匀照明的有重要作用。

图5 像面照度分布图

图6 像面光强分布图

由图6可见会聚在反射镜上的光线光强具有单个峰值，说明光线会聚的能量集中可看做点光源，使光线经过反射镜后的出射光控制更加方便，系统简化，同时由于使用导光管避免光线直射出去造成危害。

5 结论

经过分析发现RGB三色LED光源具有光强度高、体积小的特点，能够替代传统的卤钨灯和多颗单色LED光源，成为投影仪、液晶电视、电脑显示屏等的新型照明光源。设计完成的照明系统与其它光源照明系统相比具有结构简单、体积降低、重量减轻、节能环保等特点。

［1］王声学，吴广宁，蒋伟.LED在背光照明中的应用，灯与照明，VOL.31(2)(2007)，pp8～12

［2］黄娟，段谷青，曾阳素.二元光学技术制作背光照明系统导光板，邵阳学院学报，VOL.3(4)(2006)，pp38～41

［3］俞昭华，谢憬.LED大屏幕显示补偿技术，现代显示，2008年第8期，pp48～53

［4］Jun Ogawa，Atsushi Katou.Led-illumination-type DMD projector and optical system thereof，US 2003/0133080 A1

［5］Israel J. Morejon， JinhuiZhai，Haizhang Li. Lightemitting-diode(LED)illumination system for a digital micro-mirror device(DMD)and method providing same，US 2006/0164607 A1