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- 23" 数字微镜器件(DMD)的光学参考设计
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本次演示将介绍一个 0.23 英寸
数字微镜器件 DMD 的光学参考设计,
并将重点介绍照明。
我们将从 DMD光学规格和
设计目标入手。
随后会展示照明设计布局,
该布局针对1 毫米 x 1 毫米的
LED 光源进行了优化。
您将能够看到光学组件、光线
如何穿过系统以及
整个光学器件的大小。
我们会评估两种常见 LED 尺寸的
几何效率。
1 毫米 x 1 毫米的LED 可实现高效率,
而 1.2 毫米 x 1.5 毫米的 LED
则可实现高亮度。
此参考设计中使用的 DMD是一个 960 x 540 的阵列,
像素间距为5.4 微米。
微镜倾斜角度为 17 度。
有源阵列总尺寸为5.184 毫米 x 2.916 毫米,
对角线尺寸为0.23 英寸。
在传动器的帮助下,同样的阵列尺寸
可实现更高的分辨率。
例如,使用四向传动器可以将分辨率放大四倍,
达到 1080p。
不同的客户需要的投影透镜大不相同,
因此本参考设计中将不会探讨投影透镜。
不过,我们需要指定一个光圈为 f/1.7 的
远心投影透镜,以匹配照明设计。
这一参考设计的目标是
实现紧凑、高效的照明。
另外,参考设计为客户的引擎设计
提供了一个起点。
客户可以根据此参考设计
在性能、成本、外形等方面
进行权衡。
在深入了解设计之前,
我们来看看DMD 的展度功能,
并了解什么尺寸的 LED比较合适。
DMD 展度由有源阵列大小
以及投影透镜可收集的锥角决定。
我们假设投影透镜的光圈为 f/1.7,
对应于正负 17 度锥角。
通过将尺寸与锥角正弦值相乘,
沿宽度和高度方向单独执行计算,
可以完美匹配发光锥角为正负 90 度的
朗伯发光LED 的大小。
请注意,这是一个侧面照明的 DMD,
照明方向与DMD 宽度方向
大约呈 34 度夹角。
因此,在宽度方向,我们需要为它
添加一个余弦系数。
这样,我们计算出的DMD 就能够
匹配 1.257 毫米 x 0.853 毫米的
朗伯发光LED。
我们选择了两个大小接近这一尺寸的
常用 LED,如 LED 尺寸为1 毫米 x 1 毫米,
可实现高效率,如 LED 尺寸为1.2 毫米 x 1.5 毫米,
则可实现高亮度,但效率
有所下降。
这张图片显示了照明设计的
光学布局。
光源是几个具有相同发光尺寸的 RGB LED。
使用两个透镜收集每个LED 发出的光并进行准直。
完成准直后,通过双色X 板将 RGB 颜色组合到
一个共同光路中。
X 板的后面是一个蝇眼透镜阵列,
此阵列会使光均质化,以便在 DMD 上
实现均匀照明。
X 板既能够实现高效率,也可以节省空间。
透镜阵列的后面是一个塑料盖棱镜,
棱镜的两侧具有曲面造型。
一个曲面是传输面,
另一个曲面是反射面。
再加上平坦表面、后方的楔形体
以及直角棱镜,它们的共同作用会在 DMD 上产生
均匀、清晰图像,用于照明。
直角棱镜会将 DMD 光
反射到投影透镜上,
以实现全内反射,即 TIR。
彩色反射棱镜、楔形体
与直角棱镜的组合构成了
一个内联配置。
此配置不但能够减小尺寸,
还可以将照明装置折叠到
投影透镜的另一侧,从而为超短焦透镜
这样的大尺寸投影透镜留出足够的空间。
当考虑提高分辨率时,
宽大的空间有助于更轻松地插入一个传动器。
这一页上的两个视图
显示照明的光学尺寸为39 毫米 x 24 毫米,
高为 9 毫米。
为了估计最终的引擎尺寸,
我们需要添加其他的必要机械组件
和电气组件。
同样,这一尺寸也经过了优化,
能够让 1 毫米 x 1 毫米的 LED 实现高效率。
您可以使用性能有所下降的
1.2 毫米 x 1.5 毫米LED。
这一页显示了使用1 毫米 x 1 毫米
LED 设计的估计结果。
几何效率是一个用来描述
穿过光学系统的光线在光线总量中
所占百分比的主要性能指标。
它并未考虑衍射损耗、
表面反射损耗、材料吸收损耗
等因素。
不过,对于几何效率,
客户可以将自己的传输数据与
DMD 效率相结合来估计引擎效率。
通过添加LED 光学输出,
我们可以估计引擎输出的总流明。
我们还需要允许在 DMD 上合理溢出,
以容纳由于各种误差而
产生的对齐错误。
在溢出损耗之后,我们可以看到
此设计在所有LED 中都实现了
大约 71% 的高几何效率。
我们是在所采用的理想 f/1.7
远心投影透镜的屏幕上得到这一效率的。
如果在同一个光学器件上使用
1.2 毫米 x 1.5 毫米的 LED,我们会发现效率
下降到大约 52%。
不过,由于 LED 发光面积几乎扩大了一倍,
亮度也几乎提高了一倍,因此
总亮度要比宽度为1 毫米 x 1 毫米的 LED
高很多。
综上所述,我们为
0.23 英寸、17 度倾斜的DMD 提供了一个光学
参考设计,目的是让1 毫米 x 1 毫米 LED
实现小尺寸和高效率。
假设使用光圈为 f/1.7 的远心投影透镜,
可实现高达71% 的几何效率。
我们还估计了1.2 毫米 x 1.5 毫米
LED 的效率,结果表明,
这个更大的 LED可实现更高的亮度。
同样,此参考设计将为客户的
引擎设计提供一个起点,设计人员可以
基于这个设计在性能、尺寸、
成本等方面进行权衡。
课程介绍
共计5课时,55分48秒
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