球面透镜的光学特性范文

导语：如何才能写好一篇球面透镜的光学特性，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

0引言

将空间光场高效耦合进较小芯径光纤特别是单模光纤的技术已广泛用于光纤激光器［1－2］、空间激光通信［3－4］和天文观测［5－6］等研究领域．当前本文研究组提出的全光纤转动喇曼激光雷达研究课题将采用光纤布喇格光栅（FiberBraggGrating，FBG）作为分光系统的核心器件，而由多模光纤制成的布喇格光栅由于其光谱特性的多峰性，不能满足大气分子纯转动喇曼信号精细光谱分离的要求，故系统中将采用单模光纤作为连接传输器件［7－8］．因此激光雷达的空间回波光场耦合进单模光纤的耦合效率将是该系统信噪比的关键因素，耦合效率越高信噪比将越好．当前将空间光场耦合进小芯径光纤的耦合器主要有球透镜［9－10］、格林透镜和非球面透镜［11］等，球透镜一般耦合效率略低，而格林透镜主要用于光场前向传输的空间激光通信领域，在激光雷达领域的应用研究表明需要定制特种参量器件，成本较高［12］，此外目前现有产品主要用于近红外的通信波段，而正在研究的全光纤激光雷达系统则工作在可见光波段．另外，Chiou，A．等人曾利用互泵浦相位共轭技术设计了光致折变空间模式转换器提高多模光场耦合进单模光纤的效率，使耦合效率突破了纤芯直径比或模式数量比的限制［13］，但是该方法需要选择合适的晶体，且对空间结构稳定性要求较高，不适用于正在研究的全光纤激光雷达系统．非球面透镜以其灵活的光场分布调整能力已应用于激光光束整形［14］，另外非球面透镜具有很强的集光能力，这或许可提高空间光场耦合进单模光纤的效率．本文以设计用于全光纤喇曼激光雷达的单模光纤耦合系统为研究目标，采用成本较低的非球面透镜作为核心耦合器件，结合现有卡塞格林望远镜，通过ZEMAX光学软件搭建望远镜与单模光纤的耦合系统；由于激光雷达系统是一种能量探测系统，不同于成像系统的高像质要求，为充分利用非球面透镜较强的集光能力，以将空间光场耦合进单模光纤的效率为优化目标对系统结构参量进行优化分析；直接与通常多模光纤（如芯径0．1～0．4mm）进行耦合效率比较，会因绝对耦合效率值低而弱化对比效果，此处构建初步实验系统进行耦合实验，采用不同型号单模光纤（芯径约为3～10μm）的耦合效果进行相对耦合效率对比分析，测试和分析非球面透镜对耦合效率的改善作用，得到了构建全光纤喇曼激光雷达系统的有益结论．

1非球面透镜的单模光纤耦合系统及优化设计

喇曼激光雷达系统的发射激光束进入大气，经与大气分子相互作用产生携带大气状态信息的后向喇曼散射信号，由于信号较弱通常需要对一定时间的回波信号进行统计平均，故一般可忽略大气湍流对光场传输的影响，故通常假设发射激光束是高斯分布，而把望远镜接收的大气后向散射光看作是高斯分布的空间平面光场，其耦合理论分析已较为成熟［10］．其次由于大气分子散射在各个方向具有随机性，故通过望远镜耦合进单模光纤相对于多模光纤的总耦合效率ηT可表示为ηT＝ηM?ηS（1）式中，ηM是横向模式数导致的耦合效率，如果耦合进多模光纤的模式数为M且假设各模式能量相同，则该参量为1／M，ηS为单横模空间光场入射时的耦合效率，也是文献资料讨论最多的耦合参量［3，13］，其在广泛采用的ZEMAX光学软件中可表示为单模光纤的总耦合效率，故ηS＝S?T（2）式中，S为系统耦合效率或结构耦合效率，主要反映望远镜入瞳孔径及中央遮挡引起的光能损失，还包括光学元件吸收和光学薄膜的影响，在该耦合系统中主要体现中央遮挡对耦合效率的影响，可表示为［10］式中，FS（x，y）为入射光场的幅值分布，t（x，y）为光学系统的幅值传递函数，E表示入瞳平面；而T可称为接收耦合效率，主要反映由于光学系统像差引起的波前相位变化与光纤导模失配产生的损耗，是通过光学器件可改善的主要参量，其定义式为［10］T＝［Fr（x，y）W＊（x，y）dxdy2］／［Fr（x，y）?F＊r（x，y）dxdyW（x，y）W＊（x，y）dxdy］（4）式中，Fr（x，y）为光纤导模的模场分布，W＊（x，y）为出瞳波前的复数共轭．故ZEMAX软件可对单横模空间光场耦合进单模光纤的耦合效率进行较好的仿真分析．结合通用多模光纤耦合的喇曼激光雷达系统的经验，以实验室现有的日本TAKAHASHI公司Mewlon－250型卡塞格林望远镜为基础进行望远镜单模光纤耦合器结构设计，其三维结构如图1．该望远镜属于Dall－Kirkham结构，其主镜M1为直径260mm且锥度系数－0．6925的椭球面，副镜M2为直径72mm的球面，反射镜表面镀多层铝膜以提高回波光场信号的收集效率，P1为入瞳，B1为中央遮挡．望远镜有效焦距为3m，且主镜与副镜之间距离可通过电机控制进行调节，使焦距可在2．74m到3．25m间变化．由于直接从望远镜耦合进光纤，光路较长，对系统机械稳定性要求较高，同时为尽量与单模光纤的数值孔径0．13进行匹配，通常在望远镜底部增加一片附加正透镜L1（图1右下局部放大图）以缩短光路［10］，减少其合成焦距，提高系统机械稳定性．由于单模光纤传输条件依赖于光纤芯径与数值孔径，结合市场调研情况选择美国Nufern公司460－HP单模光纤作为目标光纤．望远镜与单模光纤耦合系统的效率依赖于望远镜焦距、附加正透镜型号及位置、非球面透镜AL型号及位置等，且因激光雷达遥感技术是一种能量探测而不是成像系统，故理论上需要以单模光纤耦合效率为优化目标对上述结构参量进行优化设计．但ZEMAX软件很难对附加正透镜型号和非球面透镜型号等离散数据进行全局优化设计，由于附加透镜和非球面透镜对耦合效率影响最大的参量是焦距，而将望远镜接收耦合系统的组合焦距设计在900mm左右可使激光雷达探测效果更佳［12］，通过ZEMAX仿真选择美国CVI公司PLCX－50．0－51．5UV平凸透镜作为附加透镜，由于非球面透镜加工及检测较为复杂［15］，通过调研选择美国Thorlabs公司多种焦距且反映集光能力参量数值孔径（NA）较大的非球面透镜（如355390，355660，352330，A414，352340，A230，A390，A110，A240）分别进行优化设计和仿真分析，最终确定由1个偶次非球面和1个球面组成的A390非球面透镜（图1右上局部放大图）作为耦合系统核心器件．该非球面透镜的有效焦距为4．60mm，NA为0．53，其偶次非球面（图1局部放大图左侧面）为式中，c为曲面的曲率，其数值为半径3．50mm的倒数，锥度系数k为－0．3366000，r为横向坐标；球面（图1右上局部放大图右侧面）的曲率半径为－42．19mm．然后以耦合进单模光纤的耦合效率为优化目标函数对各光学器件间相对位置进行优化设计，通过POPD（物理光学传输）等运算符进行优化表明，当未采用非球面透镜时，附加正透镜距望远镜副镜672．7mm，像面距附加正透镜51mm，系统效率S为76．4％，接收效率T为46．1％，单模光场总耦合效率ηS为35．2％；当采用非球面透镜时，附加正透镜距副镜704．5mm，非球面透镜距附加正透镜35．39mm，光纤端面距非球面透镜1．268mm，单模光纤的接收效率T可改善为67．6％，单模光场总耦合效率ηS可提高至51．7％，耦合效率比未采用非球面透镜耦合时提高约45％．故非球面透镜将改变望远镜接收会聚光场的能量分布，提高其与单模光纤导模分布的匹配效率，进而提高望远镜与单模光纤的耦合效率．为说明非球面透镜对焦平面上爱里斑能量集中程度的改变，图2给出了软件仿真得到的采用非球面透镜前后的包围圆能量变化情况，可看出通过增加非球面透镜可使半径为1．6μm的圆内的能量由40％增加到约68％，且在2μm附近出现平坦区，这可减少光纤对准时横向偏移的准确度要求，而通常光纤对准误差中影响最大就是横向偏移误差［10，12］．对不同视场角情况进一步仿真分析表明，在0．004°内其包围圆能量分布曲线变化不大。为进一步分析视场角对爱里斑耦合能量分布的影响，图3（a）～（c）给出了所设计耦合系统入射角度分别为0、0．002°和0．004°的点列图，可看出当视场角不为0时，存在较为明显的彗差，但其能量基本处于黑色实线圆（直径为4．41μm）所表示的衍射极限范围内．由于通常激光雷达系统进行的是能量探测，不同于天文领域的成像光学系统，一般不考虑光学系统的成像质量，这就使我们可将提高耦合能量作为设计和优化的唯一目标．激光雷达发射系统一般具有0．1mrad的发散角，而激光雷达中接收视场角一般要求略大于发射系统发散角，取0．12mrad，故可认为接收回波信号将大略位于0．004°范围内，图3仿真结果表明在半径59μm的范围内放置单模耦合光纤，都将获得较好的耦合效率．另外，由于激光雷达系统利用发射光束的回波信号，而不是空间激光通信系统中的前向传输信号，回波信号将在耦合平面上形成一个面积较大的弥散斑，故在此系统中可通过在光纤耦合平面放置多芯光纤束来提高系统总耦合能量．

2耦合实验系统及数据分析

2．1耦合实验系统为验证上述耦合系统的效果，搭建图4实验系统进行初步实验，图中光源发出的光，经正透镜会聚后，分别进入直接耦合a和非球面透镜耦合b两个子系统，输出光进入色散型光谱仪（OSA），利用该实验系统可进行三方面耦合效果分析．首先可验证非球面透镜对耦合效率的改善作用，由于实验中直接耦合进单模光纤因其芯径太小导致对安装误差要求较高，故此处未采用单模光纤直接耦合作为耦合效率提高程度比较的基础，而是将入射光先耦合进大芯径多模光纤（0．2mm）后，再经FC接头直接耦合进入单模或小芯径光纤（芯径约为3～10μm），虽FC接头同型光纤互联时插入损耗典型值为0．2dB（95．5％），但其主要原因是光纤对准误差，此处因大芯径光纤NA为0．22，其芯径为小芯径光纤几十倍，故对准误差对插入损耗影响很小，可用于该实验测试；而非球面透镜耦合子系统b利用非球面耦合透镜直接将入射光耦合进入单模或小芯径光纤，这两种子系统方案足以说明非球面透镜对耦合效率的改善作用．其次，利用不同芯径光纤的耦合效率比可粗略分析相同入射光场的耦合效果，实验中单模光纤位置需要测试几种不同的小芯径光纤的耦合效果，如美国Nufern公司的460－HP光纤、1550B－HP光纤和英国Fibercore公司的SM980－5．8－125光纤（表1），但实际上只有460－HP光纤能够实现532nm波段的单横模传输，其目的在于为非球面透镜改善单模光纤相对耦合效率提供更可靠的数据，并分析耦合效率比与芯径比平方之间关系．最后可分析入射光场横向模场分布对耦合进单模光纤效率的影响，将光源分别采用波长位于532nm附近LED灯和激光器，以分别模拟多横模和单横模光源的耦合效果，实验分析入射光场横模分布对耦合进单模光纤的影响，实验中LED灯型号为LED525E，其发散角为15°，中心波长为525nm，3dB带宽为5nm，功率为15mW；而激光器将使用Nd∶YAG激光器的二倍频激光．另外，实验中不同芯径单模光纤长度为2m，且需要采用两个半径为10mm圆环进行扰模处理，而对于多模光纤因其主要作用是减少不同小芯径耦合光纤的安装误差，故未对其进行扰模．实验中将采用PrincetonInstruments公司的SP2500光谱仪作为耦合系统的光电探测系统，它采用精密的光栅镀膜技术，可将光能损失降至最低，其扫描光谱给出了不同波长的功率相对值．为尽量减弱光电转换中非线性效应对测量结果的影响，评价光谱仪相对光强参量的线性度是非常必要的，将是该实验系统有效性的重要保障．首先采用一组滤光片对光谱仪相对强度值进行测量，为减少不同滤光片厚度对耦合光路的影响，构造实验系统时首先使LED灯发出的光通过一个透镜进行准直，经滤光片后再利用正透镜使光线汇聚并耦合进多模光纤．为减少实验中系统误差，未采用标称透过率，而是首先利用实验系统对各滤光片进行测试，然后计算每个滤光片的透过率，图5（a）给出了其中1组实测数据，点划线表示未加滤光片衰减时LED灯的光谱分布，虚线为增加某滤光片时的光谱分布，而实线是由这两组数据计算得到的透过率曲线，可看出透过率曲线在490～560nm基本比较稳定，说明滤光片对不同波长光信号的衰减率基本是一致的，而在该范围之外则由于光功率较低而导致透过率起伏较大，故实验数据处理时宜采用490～560nm的透过率平均值作为该滤光片透过率值．然后将上步中测得的透过率作为真值，计算2个及以上的滤光片组成滤光片组的理论真值，并利用光谱仪测试通过该滤光片组的透过光功率，并将理论值与测得值进行比较以评价光谱仪相对光强参量的线性度．图5（b）给出了测量点与其拟合直线，其斜率为0．985，截距为173．7，相关度为0．9994，可说明光谱仪相对强度与入射光强之间具有很好的线性．

2．2实验数据分析当采用LED灯作为光源时，可评价多横模光源的耦合性能．图6（a）给出了耦合进光纤460－HP的功率谱特性，其中点划线是直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约48％；图6（b）给出了耦合进光纤1550B－HP的功率谱特性，点划线是直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合的效率增加约47％，耦合效率的增加量大略与仿真结果45％相当，这可说明利用图4中子系统a和b耦合效率的比值可反映非球面透镜对耦合效率的改善作用．

2．3直接耦合和非球面透镜耦合分别耦合进460－HP与1550BHP光纤的耦合效率比约为13％和12％，这大略等于通常采用的光纤芯径比平方12％［13］．当采用激光作为光源时，可评价单横模光源的耦合性能．图7（a）给出了耦合进光纤460－HP的功率谱特性，点划线表示直接耦合时光功率谱的相对强度，实线为非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约31％；图7（b）给出了耦合进光纤SM980－5．8－125的功率谱特性，点划线为直接耦合时光功率谱的相对强度，实线表示非球面透镜耦合时的相对强度，非球面透镜耦合比直接耦合时耦合效率增加约20％，耦合效率的增加量与仿真耦合的45％偏离较大，这或可归因于单模激光耦合时耦合效率对位置的调整极为敏感．另外，直接耦合和非球面透镜耦合方式耦合进460HP光纤与SM980－5．8－125光纤的耦合效率之比分别约为88％和86％，这偏离光纤模场芯径之比平方36％较大，其耦合效率之比约为模场芯径比平方的.

2．4倍，这可能是由于高斯分布的单模激光模场与光纤模场匹配效率较高，且其能量大部分位于纤芯中心导致的，该结论对全光纤激光雷达系统具有重要意义．另外多横模特性光源（LED灯）与单横模特性光源（激光）的耦合效果对比，不仅说明非球面透镜对望远镜与单模光纤的耦合效率具有明显改善，而且对高斯分布的激光耦合进小芯径光纤不宜采用芯径比平方估算耦合效率，这对于搭建采用该激光器的全光纤喇曼激光雷达系统具有积极意义．

篇2

关键词：光纤；半导体激光器；耦合方式

0 引言

半导体激光器自1962年问世以来发生了极大地变化，有力的推动了现代科学技术的发展。半导体激光器具有光电转换效率高、体积小、重量轻、耗电少且价格低等优点，因而广泛应用于广泛使用于光纤通信、激光测距、激光打印、激光扫描、激光指示器以及航空航天等重要领域。对于半导体激光器来说，受自身结构特点的影响和制约，进而在一定程度上降低了半导体激光器的出射光束的质量，不仅在垂直和平行于PN结两个方向上的光束不对称，而且存在有很大的发散角，另外，对驱动电源要求比较高，进一步增加了实际应用的难度。对于半导体激光器来说，光纤和半导体激光器的耦合技术能够对其光束进行整形、准直、变换，同时能够耦合到光纤中，这样就可以输出对称并且亮度较高的光束。

1 光纤与半导体激光器的耦合方式

通常情况下，光纤与半导体激光器的耦合方式可以分为：（1）光纤与激光器不经过任何系统进行直接耦合。（2）将透镜、棱镜等光学零件插入激光器和光纤之间的方法，即分离透镜耦合法。在光纤与半导体激光器进行耦合的过程中，无论哪种方法，其耦合的目的都是对半导体激光器输出的光场进行整形，进而在一定程度上使得入射光场与光纤本征光场分布实现最大限度的匹配。

1.1 分离透镜耦合

在耦合系统内部，各光学零件之间与光纤以及耦合系统都是相互分立的，在这种情况下，对于半导体激光器、耦合系统和光纤之间的共轴准直性要求比较好。在封装的过程中，采用一些加工精度较高的支承件固定各光学零件，在一定程度上确保较好的准直性，但是这样做法增加了成本，并且尺寸比较大。在系统中，一般将光学零件的尺寸控制在毫米量级，进一步减小其体积，这在无形中增加了加工的难度，同时成本比较高。但是，这类耦合系统的优点是，通过精确设计和加工可以最大限度地改善光束非圆对称性、消除像差影响、减少反射损耗，从而实现高效率耦合。下面分别对分离透镜耦合系统进行介绍。

（1）单球透镜耦合

这种耦合系统通常是由单个球透镜构成，与其他透镜相比，由于球透镜本身的圆对称性，进而使得装配异常简单。对于单个球透镜来说，由于其焦距与球差成正比，进而在一定程度上可以通过减小球差的方式，进一步提高耦合效率，同时这也是该耦合方法的关键所在。为了进一步消除球差的影响，在这种耦合系统中，对球透镜要求比较高，主要表现为折射率高、焦距短等。对于这种耦合方式来说，激光器与透镜之间的距离，以及光纤与透镜之间的距离决定了耦合的效率。

（2）利用自聚焦透镜

通常情况下，自聚焦透镜是在圆柱状玻璃基棒内，借助离子交换技术产生径向的折射率制成的，这种耦合系统通过折射率的渐变分布进一步实现聚光能力，并且透镜长度决定焦距。对于平端自聚焦透镜来说，由于球差较为严重，进而使得聚光斑较大，通常情况下，可以将前端研磨成球面，进而在一定程度上对透镜的球差进行补偿，耦合损耗一般可以降为1 db。对于自聚焦透镜来说，其外形尺寸比较小，孔径比较大，损耗比较低，但是，需要精密测量和复杂计算，才能进一步优化透镜的折射率分布，并且在加工透镜的过程中，需要精密研磨曲率球面，进一步增加了制作难度和成本。

（3）利用组合透镜

在许多光纤耦合系统中，为了进一步提高耦合效率，通常情况下，利用球透镜、柱透镜、自聚焦透镜，以及锥形光纤等进行相互组合。通过透镜组合可以大幅度提高耦合效率，一般超过75%。但是，在装配过程中，需要借助专用精密夹具进行精密的调整，进而在一定程度上增加了工作的难度，同时在封装阶段要求也比较高。

1.2 光纤直接耦合

对于光纤直接耦合来说，通常情况下，主要包括平端光纤直接耦合和对光纤进行加工耦合两种，例如在光纤的端面制造球形、锥形等。这种耦合系统的优势主要表现为灵活方便，加工制作简单，并且易于集成封装，凭借该优势，光纤直接耦合系统得到广泛运用。

（一）平端光纤直接耦合

所谓平端光纤直接耦合就是将经过处理的端面平头光纤直接对向半导体激光器的发光面。通常情况下，光源的发光面积和光纤芯径总面积的匹配，以及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配等是影响耦合效率的主要因素。对于半导体激光器和光纤来说，由于彼此之间的模失配现象比较严重，所以采用平端光纤的方式进行直接耦合，但是这种耦合方式损耗比较大，并且耦合效率低。

（二）球形端面光纤直接耦合

通常情况下，通过多种方式都可以获得球形光纤端面，比较典型的如：（1）在光纤端面上制造一个树脂的半球透镜，这种方案比较简单；（2）在光纤的端面烧制特殊形状的端球，一般可以采用电弧、气体火焰或者大功率激光器充当烧制的热源，这种方案比较实用。在热源的作用下，光纤端面熔化后经过自然冷却，在表面张力的作用下，进而在一定程度上就会形成各种不同弧度的圆球形端面，并且热源的温度、光纤与热源之间的距离等因素决定着圆球的曲率半径。在耦合过程中，采用球形光纤端面一方面可以提高半导体激光器与光纤的耦合效率，另一方面可以通过实验光路进行调试。

（三）锥形光纤直接耦合

腐蚀、磨削和加热是制作锥形光纤主要方法。其中，腐蚀、磨削是通过将光纤包层制成锥体，进而使芯径保持不变，而加热是通过电弧放电或者熔融拉锥机的方式进行加热，进而在一定程度上使纤芯与包层一起成比例地拉伸，进一步形成一定长度和锥度的锥体。通常情况下，利用这两种方法得到的锥形光纤系统，其特性存在一定的差异。而通过加热方式制造的锥形光纤，其芯层同样是锥形结构，但是这种结构的耦合效率比较高，同时通过增大锥角可以获得更大的耦合效率，并且最佳工作距离也随之不断减小。

（四）锥端球面透镜直接耦合

锥端球面微透镜在目前所有的耦合方法中应用范围最广。其制作流程为：首先将光纤端部制成锥形，进而在一定程度上减小端面半径，然后在锥端形成微透镜。通常情况下，形成微透镜的方法，主要包括：（1）直接电弧抛光、整形；（2）对锥端进行处理，然后将其浸入到熔融高折射率玻璃中，同时对浸入的深度、时间等进行控制，进而得到不同大小、不同形状的锥端高折射率微透镜。

2 结论

本文通过对实现半导体激光器与光纤耦合的方法进行研究、分析。其中，凭借自身结构紧凑、制作简单、成本低廉，并且耦合效率高的优势，光纤微透镜直接耦合技术得到广泛的应用。但是，这种耦合技术存在偏移容差最小、难于调整、缺乏稳定性等弊端，并且在手工制作时，重复性比较差。除此之外，随着集成光学、二元光学的不断发展，使得获得成本较低，同时能够消球差特性良好的微透镜成为可能。同时，通过对LD本身的结构、工艺等进行改进，在一定程度上对其光束特性进行改善，进一步降低耦合损耗，进而丰富完善了光纤和半导体激光器的耦合方法。

参考文献：

[1] 韦朝炅，查开德，王新宏.尖锥端光纤和半导体激光器的耦合[J].中国激光，1998（01）.

[2] 王田虎.半导体激光器和光纤耦合的实现方法[J].新乡师范高等专科学校学报，2007（09）.

篇3

关键词：投影；发光二极管；光子晶体

中图分类号：TN312＋8 文献标识码：B

Rapid Progress in High-Brightness LEDs for Projection

Christian Hoepfner

（Luminus Devices, Inc., Massachusetts 01821，USA）

Abstract: The increase in the brightness of microdisplay-projection light-emitting-diode (LED) light engines has significantly accelerated during the past 3 years, to a level beyond many industry expectations. This acceleration has enabled the emergence of LED projection TVs. Here, we review the progress made with LEDs for projection applications and the products being enabled. Design considerations for LED-based light engines are discussed, and an outlook for further brightness improvements and new products is presented.

Keywords:projection；LED；photonic lattice

对微型显示投影而言，发光二极管（light-emitting diodes，LED）是长期有效的优良光源；与传统超高压灯具相比，它拥有众多优势，如寿命长、发射光谱窄（因此色彩饱和度高、色域大）、环境友好等。脉冲 LED 具有很高的速度，能应用于精密电源和色彩处理系统中。这种牢固的固态技术具有特殊的紧凑结构，使其能够耐受恶劣环境。

尽管优点很多，将 LED 用作投影电源的研究仍花费了多年时间。其中是唯一的、最关键的挑战是：需要由投影透镜提供足够的亮度。LED 不可能和弧光灯一样明亮，而且永远也不可能。因此，基于 LED 的高亮度微显示投影系统的设计需要对投影系统各方面进行优化，既包括 LED，也涉及照明及投影光路。

自 2005 年以来，一些小封装（small-form-factor）前投 LED 投影仪已经投放市场，它们经常被称作便携投影仪或便携探测器。东芝、三菱、三星相继推出了这类投影仪，都使用了 OSRAM 和 Lumileds Lighting 公司的 LED。该规格投影仪投影透镜的光通量为 15~25 lm。2007 年春季推出了更新的型号，光通量达到 50 lm。2006 年夏季，紧随 NuVision 的原型机之后，三星推出了第一个微显投影电视。该电视使用了 Luminus Devices 公司的新型 LED，即 PhlatLight LED（图1），这是第一种专门为微显投影设计的 LED，并且亮度首次超出了高品质投影电视所需的阀值。2007 年春季，三星的六种新型投影电视产品打入了美国市场，屏幕尺寸分别为 50in、56 in和 61 in（图2）。此外，2007 年 7 月，LG 电子公司推出了一款使用 Phlat Light LED 的便携投影仪，这款商务 LED 便携投影仪首次突破了 光通量100 lm 的屏障。

下文将介绍投影仪用 LED 的设计要求，重点讲述促使首款液晶投影电视产生的 Phlat Light LED 的设计。伴随着这次突破，在光学引擎的设计上投入了相当可观的精力，对此后文将会提到，只因为它使人们产生了将 LED 作为光源的想法。

1小型 étendue 光学引擎的要求

现代微显电视光学引擎使用的微型显示器的对角线长度在 0.45 ～0.95 in之间。微型显示器是光学引擎上最昂贵的部件，这就为缩小微型显示尺寸提供了动力，因此诞生了小型 étendue。投影透镜之类的光学元件的成本和尺寸也更倾向于使用微型显示器。

这种光学引擎的小型 étendues 决定了 LED 发光面积只能很小，在 8~24mm2 范围内。因此需有效利用 LED 的发光面积。这对面发射的 LED 有利，因为沿边缘发射的 LED 需要额外的光学器件来收集这部分光，从而增加了实际光源 étendue。一个好的 LED 光源应该是面发射器，需要非常精确的发光面照亮微型显示器。发光面积的宽高比要与微型显示器匹配，对于任何投射角度都要进行修正；对高清晰度电视（HDTV）而言，通常采用 16:9 的宽高比。由于 LED 芯片较小造成的发射面上的任何缝隙都将使实际亮度减弱。因此，采用具有合适尺寸和宽高比的单块大面积 LED 芯片是最理想的。

2投影仪用 LED

LED 光学引擎亮度得到提高主要归因于以下三方面：(1) LED 技术整体得到提高；(2) LED 的设计符合光学引擎的要求；(3) 光子晶体 LED 的出现。

今天，LED 产业有数十亿美元的产值，其中手机屏和键盘照明占据了大部分市场。与技术发展相随相伴的是巨大的竞争压力，它使得 LED 发光效率稳步改善，这也是 LED 产业广泛用作优质图像显示的重要原因。对于投影电视，实际亮度是最关键的性能参数，而不是发光效率。尽管如此，发光效率的大幅提高也会使系统亮度提高。因此，LED能应用于投影仪中，得益于标准 LED 的整体改善。

要满足小型 étendue 光引擎的要求，发射面积尺寸与微型显示器相匹配的单块 LED 芯片最为理想。举例来说，针对 DLPxHD5 微型显示器已经设计出了 PT120 PhlatLight 投影芯片组，其发光面积为 12 mm2，宽高比 16:9。这使得微型显示器 étendue 具有优化利用的前提。

3用于微型显示投影仪的 PhlatLightTM LED

PhlatLightTM LED 是首个专为微型显示投影设计的 LED。为实现高亮度的要求，在芯片和封装方面采用了一系列新技术。

光子晶体，通常也称为光子晶格或光子带隙材料，是将周期结构嵌入介质或半导体材料中产生的。周期结构的晶格常数与光波波长相当，临界尺寸小于 100 nm。该周期结构（如图 5 所示）产生光学带隙，阻止某些频率和方向的光传播，因此能从根本上改变光在基体材料中的传播。特定的 PhlatLight LED 光子晶体限制光沿量子阱方向的横向传播。因此光线被迫处于垂直于界面的状态，并穿过界面射出芯片。因此，PhlatLight LED 芯片没有边缘发射；所有光都从界面发射。因为平行于量子阱（quantum well）传播的光线易于被重复吸收，所以光线射出芯片表面的驱使力也会使光汲出效率（extraction efficiency）增强。此外，对光子晶体进行设计，可以使更多光线达到接近表面法线的状态，从而实现平行发射（collimated emission）。虽然这种平行效应没有使LED 的总流量增加，但使汇集于光学引擎 étendue 中的光线增加了，提高了透镜和分色镜光透过率的效率。PhlatLight 光子晶体设计的三个特点（表面汲出，提高光汲出效率和平行性）都有利于改善投影系统的亮度。

为了进一步提高系统亮度，PhlatLight LED 也可以设计成在高驱动电流下工作。为了满足高亮度 LED 的要求，每个工程师都试图增大驱动电流，该电流超出典型的工作电流 0.35 A/mm2或 1 A/mm2。然而，按照传统 LED的设计，在高电流密度下工作可靠性不好，因为高电流密度下产生的电应力和热应力会降低 LED寿命。

通常用于 LED 的半导体接口能在非常高的电流密度下良好工作，例如激光可以产生高达每mm2数百安培的电流密度。然而很多 LED 要依靠位于 LED 侧向的金属小触点传输电流，这就会导致电流拥堵在这些金属触点上，从而限制了这种 LED 的可靠工作电流。

增加电流密度也意味着需要更大功率并产生更多散热量。为了保证接口温度处于可以长期运转的高可靠性水平，从接口到散热器的热阻要低于 LED 的标准热阻。

除了采用光子晶体技术外，PhlatLight LED 还首创了垂直芯片组的设计，以解决电和散热的问题。已经采用蓝宝石晶片作为亮度最高的蓝色和绿色 LED 的材料。虽然蓝宝石能促进高品质接触层和量子阱的生长，但它是电绝缘体、不良导热体。将外延晶圆和金属粘着基台（metal submount）粘结在一起，然后移除蓝宝石基板，带有量子阱的外延层转变成为表面基板材料。新的金属粘着基台的热阻非常低，而且金属全面积接触到 LED 上了。因此， PhlatLight LED 的工作电流密度远远超过标准高亮度 LED 在典型工作条件下的电流密度。它们的设计和质量都能保证在 2.5 A/mm2 电流密度时有足够长的寿命。例如，发光面积为 12 mm 2的 PT120 芯片可以在 18 A 连续电流的情况下工作，相当于高达 100 W 电源的工作情况。如果是脉冲运行，该装置可以在更高电流下工作，这些特性改善了工作的限制条件，有利于提高亮度，同时保证 LED 的高度可靠性。例如，当总循环效率为 50%、正向电流为 30 A 时，绿色 PT120 LED 的峰值光通量甚至大于 3,300 lm。

PhlatLight LED 芯片截面如图 3 所示。包括量子阱在内的活化层和金属黏着基台相联。二维光子晶体结构嵌在 LED 芯片表面。

光子晶体 LED 有一个优点经常被人们忽视，即光汲取时不需要密封剂。设计的光子晶体将光直接从半导体芯片上提取到空气中，因此不需要密封剂，而密封剂是 LED 中最不可靠的部件之一。PhlatLight LED 组装过程中独有一个环氧处理工艺，它将 LED 芯片粘着基台与铜散热器直接粘结在一起，结果产生创历史新低的热阻。这些优势及其高效的电热设计，使 PhlatLight LED 这种固态光源具有极高的可靠性，当其在电视工作条件下工作时，平均寿命为 120,000 hr。

4LED 性能的改进

由于采用了上述改进措施，PhlatLight LED 的亮度在过去两年中得到了很大提高。近年来绿色 PhlatLight LED 亮度的提高情况如图 4 所示。对于可见显示而言，绿色实际上是最难生产的色彩，在提供白色光通量色彩平衡中几乎总是瓶颈。与2006 年初使用 PhlatLight LED 设计制造的第一台投影电视相比，绿色 LED 的亮度已经翻了一番。高亮度大多可以降低电视系统的成本，例如，可以使用较小的微型显示器。

对于所有 LED，包括 PhlatLight LED 在内，亮度提高仍有很大的发展空间。研究在加速进行，预计在 18 个月内 PhlatLight 的亮度将增加1倍。这将促使更多新颖的、革新的投影仪投入应用。

5LED 光学引擎的设计思路

虽然投影 LED 的亮度已大幅提高，通过投影透镜的光通量足够大了，但仍需要对光学引擎进行细致的设计。一般 LED 光学引擎光路的 f/# 小于灯基模式（lamp-based model）；增加 étendue，促进了更大 LED 源的使用，从而使得光通量更高。可能的对比度损失可以通过很好的光学设计来弥补；可以利用 LED 的快速响应实现亮度动态管理。虽然锥形光波导或抛物线形光波导有利于收集来自 LED 的光线，无论单个还是两个非球面透镜，通常都不能产生如此高的亮度。这是因为远离 LED 表面的光线具有发散角，虽然它可以被导光板收集，但是并不能被后续的投影光路有效地传输出来。

对于典型的 LED 发光光学，入射光角度大时，需要对彩色合成的二向色性进行设计。LED 不发射紫外光。因此与灯基系统相比，所有透镜的镀层在蓝色光谱范围内均可设计成较大透光率。

LED 的散热处理非常重要。LED 有个特点：只能在低温下运行。LED 活性区，包括量子阱，通常在 70~120 ℃ 温度下工作，在某些情况下允许温度高些，但一定要低于 200 ℃。这和超高压灯形成了鲜明对比，超高压灯活跃区（弧）温度约为 6,000 ℃，甚至石英管外的温度也可以达到 800 ℃ 左右。另一方面，由于 LED 结温如此之低，所以它会随环境温度变化。便携投影仪或投影电视大部分使用带风扇的简单散热片作为空气冷却系统。对于一些电视，则采用热管传递电视柜中的热量，散热很方便。LED 通常不需要液体冷却。

通常冷却部分的设计要保证 LED 结温低于最大限度值：蓝色和绿色 PhlatLight LED 结温低于 120 ℃，红色 PhlatLight LED 结温低于 80 ℃。蓝、绿、红色 LED 的结温不同，因为它们使用的半导体材料不同，这些材料具有不同的温度灵敏度。实际上大部分 LED 结温低于最高限制温度，并随着环境温度的变化而波动。因此，需要色彩处理系统补偿不同色彩间相对光强的温度诱导变化。

6下一代 LED 投影产品

最初的 LED 市场反馈表明，LED 照明投影电视非常流行，因为它们不用更换超高压灯，并具有优良的色彩重现性。因此人们期望大部分投影电视生产线在 18 个月内从超高压灯转为 LED 照明。在 2009 年，绝大部分微显投影电视将使用 LED 作为光源。

预计基于高端电视光学引擎的高画面质量的家庭影院投影仪将于 2008 年进入市场。这些家庭影院投影仪使用更大的微型显示器，因此具有前投所需的更高的亮度和对比度，投影透镜的光通量在 500 ~1，000 lm 之间。

120~150 lm 便携投影仪将于 2008 年面世。提高LED 亮度可以降低投影仪成本，这样有利于占有更大的市场份额。

通常称为 nano-projector 或 pico-projector 的微型投影仪正在研制之中，预计于 2008 年进入市场。因为 LED 是一种成熟的技术而且比较便利，因此大多数模块将采用 LED 作为光源。

近年来在投影电视的跟踪调查中，LED 亮度和效率的改进最终会使其它视觉显示产品受益。LCD 电视用的 LED 背光源（BLU）也需要高效绿色 LED。例如，PhlatLight LED 的平行特性使其可以用于光波导的有效光耦合，适用于边缘散射的巨型 BLU（＞ 52 in）。

7结论

LED 作为微显示投影光源具有广阔的前景。常规LED 产业，以及新的、为投影仪专门设计的 PhlatLight 光子晶体 LED 促进了 LED 性能的快速提高，使 LED 光学引擎特性达到了新水准。LED 已成为成熟的、数十亿产值的产业。普通光学应用的巨大市场、产业的竞争性以及已有制造商和新兴企业的持续改进，都将持续推动 LED 性能的发展，使其能够满足更精彩的显示领域的应用。