23" 数字微镜器件（DMD）的光学参考设计

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。