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    基于發(fā)光二極管配光曲線設(shè)計(jì)自由曲面透鏡

    2016-10-10 01:24:17馮奇斌李亞妮李其功呂國(guó)強(qiáng)
    光學(xué)精密工程 2016年8期
    關(guān)鍵詞:背光光斑透鏡

    馮奇斌,李亞妮,李其功,呂國(guó)強(qiáng)

    (合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光電技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

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    基于發(fā)光二極管配光曲線設(shè)計(jì)自由曲面透鏡

    馮奇斌,李亞妮,李其功,呂國(guó)強(qiáng)*

    (合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 光電技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

    針對(duì)頭盔顯示器(HMD)液晶像源的特殊要求,選擇了一款小尺寸、高光效的發(fā)光二極管(LED)作為背光光源?;诖薒ED的光強(qiáng)分布曲線,利用非成像光學(xué)理論設(shè)計(jì)了雙自由曲面透鏡陣列,以期進(jìn)一步提高背光光效。首先對(duì)單個(gè)LED設(shè)計(jì)了3款不同半徑的雙自由曲面透鏡,形成了亮度均勻的圓形光斑。然后對(duì)單個(gè)透鏡進(jìn)行切割,形成矩形光斑,并用4個(gè)矩形透鏡拼接成透鏡陣列。選擇了效果最優(yōu)的透鏡進(jìn)行了加工和測(cè)試。結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的采用兩層擴(kuò)散膜的背光結(jié)構(gòu)相比,采用透鏡陣列和兩層擴(kuò)散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%,背光亮度提高了96.4%,非均勻性由23.8%略提高到23.1%,半亮度視角由37°降低到19°。用設(shè)計(jì)的透鏡及其陣列對(duì)LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直,易形成高亮度的均勻矩形光斑,滿足頭盔顯示器液晶像源背光的要求。

    頭盔顯示器;發(fā)光二極管(LED);LED背光;非成像光學(xué);自由曲面透鏡

    *Correspondingauthor,E-mail:guoqianglv@hfut.edu.cn

    1 引 言

    隨著液晶顯示(Liquid Crystal Display,LCD)技術(shù)的發(fā)展成熟,LCD已經(jīng)取代陰極射線管成為主流顯示器件。發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)具有響應(yīng)速度快、啟動(dòng)電壓低、低功耗、無(wú)汞環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛使用在液晶顯示背光源中[1-3]。

    頭盔顯示器(Helmet-Mounted Display,HMD)在現(xiàn)代軍事以及虛擬顯示中有著非常重要的應(yīng)用[4-5]。由于特殊的工作環(huán)境,機(jī)載頭盔顯示器對(duì)液晶像源提出了重量輕、體積小、功耗低、亮度高,堅(jiān)固耐用等[6-7]特殊要求。在用于液晶像源的傳統(tǒng)直下式LED背光中,通常采用M×N個(gè)LED陣列,在一定混光空間內(nèi)通過(guò)擴(kuò)散膜形成矩形均勻光斑,存在主視角亮度不高的問(wèn)題;而HMD液晶像源要求低功耗和高亮度,即對(duì)光效提出了較高要求,傳統(tǒng)直下式LED背光無(wú)法滿足HMD液晶像源的特殊使用要求,需要利用非成像光學(xué)理論對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),以提升亮度和光效。

    相比于傳統(tǒng)的成像光學(xué)而言,非成像光學(xué)關(guān)注的不是目標(biāo)的平面成像以及成像質(zhì)量,而是光源的能量利用率以及能量分布情況[8-9]。非成像光學(xué)研究的核心內(nèi)容就是通過(guò)準(zhǔn)確地控制入射光中每條光線的走向,使其在到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)各個(gè)光學(xué)參量符合預(yù)期希望。目前,應(yīng)用非成像光學(xué)理論針對(duì)LED的二次設(shè)計(jì)在各個(gè)光學(xué)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。Anne T[10]等設(shè)計(jì)了全反射透鏡,對(duì)彩色LED進(jìn)行勻色。馮奇斌等[11]針對(duì)選取的LED發(fā)光特性,采用混合集光方法設(shè)計(jì)了LED準(zhǔn)直透鏡,這種透鏡的光效很高,但光斑均勻性較差。肖一勝等[12]研究了復(fù)眼透鏡陣列在LED透鏡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,雖然使用復(fù)眼透鏡陣列可以得到較高的光效和比較均勻的光斑,但其光路及尺寸均過(guò)大,不適用于HMD背光設(shè)計(jì)中。在室內(nèi)和道路照明領(lǐng)域,蘆佳寧等[13]設(shè)計(jì)了可以在3 m遠(yuǎn)的接收面上形成直徑為10 m的圓形均勻光斑的自由曲面透鏡。閆國(guó)棟[14]設(shè)計(jì)了用于LED路燈的能實(shí)現(xiàn)特定形狀照明光斑的自由曲面透鏡。LI等[15]設(shè)計(jì)了一款厚度小于10 mm、在10 m遠(yuǎn)的距離形成10 m×30 m的矩形光斑的自由曲面透鏡。這些自由曲面透鏡大多能在遠(yuǎn)距離、大面積的情況下獲得特定形狀的均勻光斑,主要針對(duì)可以將LED光源視為單一點(diǎn)光源、設(shè)計(jì)單一透鏡的情況。而在傳統(tǒng)的直下式LED背光中,由于尺寸限制,液晶屏和LED光源之間的距離較小,多顆LED陣列很難被視為單一光源,進(jìn)而難以設(shè)計(jì)單個(gè)透鏡進(jìn)行光線調(diào)制。因此,需要對(duì)單顆LED設(shè)計(jì)單個(gè)透鏡,然后通過(guò)多個(gè)透鏡拼接組合的方式形成滿足要求的照明區(qū)域。

    本文針對(duì)HMD液晶像源的特殊要求,選擇了一款小尺寸、高光效的LED作為背光光源,并利用非成像光學(xué)理論針對(duì)此LED的光強(qiáng)分布曲線設(shè)計(jì)了雙自由曲面透鏡陣列,以期較大程度地提高背光光效,并在較短的設(shè)計(jì)距離上形成高亮度的均勻矩形光斑。

    2 LED光線強(qiáng)度分布擬合

    機(jī)載頭盔顯示器要求圖像源重量輕、體積小、光效高,因此需選擇外形尺寸小、光效高的LED燈做光源。通過(guò)比較各個(gè)公司不同系列的LED,選取了OSRAM公司一款LED作為發(fā)光光源,其外形和光強(qiáng)分布曲線如圖1所示。

    (a)LED燈珠外形圖     (b)光強(qiáng)分布曲線(a) Outline of LED  (b) Radiation characteristics圖1 OSRAM LEDFig.1 OSRAM LED

    采用最小二乘法建立光線的走向(角度)θ和強(qiáng)度I之間的關(guān)系。從圖1可以看出,光強(qiáng)分布曲線在53°左右存在明顯的拐點(diǎn),故進(jìn)行分段處理。I和θ之間的擬合方程為:

    I(θ)=a2θ2+a1θ+a0.

    (1)

    故首先在曲線上取一組數(shù)據(jù)點(diǎn)(θi,Ii),i=0,1,……90,然后利用擬合函數(shù)公式(2)求得未知參數(shù)a0,a1和a2。

    (2)

    其中:a0=θ2,a1=θ,a2=1,I=(I1,I2,……I90)T,因此擬合后的光強(qiáng)分布表達(dá)式為:

    (3)

    3 單個(gè)自由曲面透鏡設(shè)計(jì)

    為了解決傳統(tǒng)背光設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題,本文采用了一種易于實(shí)施計(jì)算的LED二次光學(xué)自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法。這種方法的實(shí)現(xiàn)原則是:基于能量守恒定律,對(duì)LED光源的光線出射角度和到達(dá)目標(biāo)接收面上的位置建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。遵循光線折射Snell定理,通過(guò)微分方程組計(jì)算透鏡前后曲面組成點(diǎn)的坐標(biāo),然后將求出的表面繞軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到二次光學(xué)自由曲面透鏡。

    單個(gè)自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)原理如圖2所示,LED放置在(x0,y0)處,LCD位于S3面上,此面上光能為均勻分布。LED發(fā)出的光線通過(guò)S1和S2兩個(gè)曲面后平行出射,即入射到S3面上的光線呈平行分布。

    圖2 自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)原理Fig.2 Design principle of freeform surface lens

    假設(shè)透鏡收集的LED光線的入射角度為[0°,60°],入射角為60°的光線經(jīng)透鏡后照射到S3面上的r處。而LED發(fā)出的角度為θ1的光線經(jīng)過(guò)雙曲面后入射到S3面的y31處。由于S3面上的能量是均勻分布的,故在面S3上能量的比例應(yīng)與對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的比例相等,例如圖2中A段和B段內(nèi)能量的比例與AB段的長(zhǎng)度比例相同,即有:

    (4)

    由此可推出公式(5)。將上面得到的光強(qiáng)分布表達(dá)式代入式(5),可以建立光線入射角度θ1和目標(biāo)接收面上的位置y31的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    (5)

    將光線入射角均勻分割為120個(gè)區(qū)間,第i條光線的入射角度θi為:

    θi=0.5i,i=0,1,2,…….

    (6)

    結(jié)合Snell定律,聯(lián)立并求解式(7)即可得到LED發(fā)出的0°~60°的光線對(duì)應(yīng)的自由曲面透鏡前表面S1和后表面S2上的相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)。

    (7)

    其中:(x0,y0)代表LED光源的位置;(x10,y10)、(x20,y20)是透鏡前后兩個(gè)表面(S1和S2)的初始點(diǎn);(x30,y30)是顯示面S3的初始點(diǎn);(x11,y11)是入射光線和S1面的交點(diǎn);(x21,y21)是折射光線和S2面的交點(diǎn);(x31,y31)是出射光線與S3面的交點(diǎn);θ1是光線的入射角;α1是入射光線和S1面的交點(diǎn)的法線方向與水平方向的夾角;θ2是S1面出射光線與水平方向的夾角;α2是S2面出射光線與S2面交點(diǎn)的法線方向的夾角;n1和n2分別為空氣和透鏡材料的折射率。

    背光提供的照明面積應(yīng)該略大于顯示面積,故對(duì)于9.9 mm×13.2 mm的顯示面積,背光面積設(shè)計(jì)為10.1 mm×13.4 mm,布置2×2的LED陣列,每個(gè)LED對(duì)應(yīng)的透鏡大小應(yīng)為5.05 mm×6.7 mm。因此,單個(gè)透鏡至少應(yīng)該覆蓋5.05 mm×6.7 mm的矩形,因此應(yīng)滿足半徑r≥4.195 mm。選擇3組半徑(r1=4.2 mm,r2=4.25 mm,r3=4.3 mm)設(shè)計(jì)3款透鏡。(x0,y0)和(x30,y30)確定為(0,0)和(10,0),通過(guò)MATLAB求解方程組(7)的數(shù)值解即可得到表示雙自由曲面面型的多組坐標(biāo)值。光路圖如圖3(a)所示,外形對(duì)比圖如圖3(b)所示,3款透鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

    (a)初始透鏡光路示意圖(a) Optical path of original lens

    (b)3款透鏡外形對(duì)比圖(b) Outlines of 3 lenses圖3 初始透鏡Fig.3 Original lenses

    表1 3款透鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)

    4 透鏡仿真分析

    4.1單個(gè)透鏡的仿真分析

    將所設(shè)計(jì)的3款透鏡面型數(shù)據(jù)導(dǎo)入光學(xué)軟件LightTools進(jìn)行仿真分析。仿真中LED均采用了面光源,發(fā)光面尺寸為1 mm×1 mm,單個(gè)LED出射的光通量為1 lm??紤]到理論設(shè)計(jì)的點(diǎn)光源和實(shí)際LED發(fā)光面積不同,本文采用了一種擴(kuò)展光源的設(shè)計(jì)方法,即根據(jù)邊緣光線原理,將設(shè)計(jì)的點(diǎn)光源放置在實(shí)際面光源邊界的延長(zhǎng)線上,以此降低理論設(shè)計(jì)和實(shí)際情況的差距,提高設(shè)計(jì)精度。LED放置示意圖如圖4(a)所示。圖中點(diǎn)光源到透鏡外邊緣的連線是點(diǎn)光源發(fā)出的入射角度為60°的光線,點(diǎn)O即為設(shè)計(jì)時(shí)點(diǎn)光源的位置,擴(kuò)展光源即為面光源所在的位置,兩者間的距離由透鏡半徑r、擴(kuò)展光源面積和60°角確定。3款透鏡的亮度仿真圖如圖4所示。這3款透鏡的視角亮度圖幾乎一致,如圖4(e)所示??梢钥闯觯和哥R將LED發(fā)出的光準(zhǔn)直為直徑大約為10 mm的圓形光斑,在直徑為8 mm的中心區(qū)域內(nèi)亮度均勻,半光強(qiáng)角度為6.5°左右。將單個(gè)透鏡切割為5.05 mm×6.7 mm的矩形,切割后的透鏡外形圖、仿真亮度圖和視角圖如圖5所示。

    (a)仿真模型(a) Simulation model of single round lens

    (b)lens1仿真亮度圖(b) Luminance map of original lens1

    (c) lens2仿真亮度圖(c) Luminance map of original lens2

    (d) lens3仿真亮度圖(d) Luminance map of original lens3

    (e) 視角曲線圖 (e) Viewing angle curve of original lenses 圖4 原始透鏡仿真模型、仿真亮度圖和視角曲線圖 Fig.4 Simulation model, luminance and viewing angle simulations of original lenses

    (a)仿真模型(a) Simulation model of single rectangular lens

    (b)lens1仿真亮度圖(b) Luminance map of retangular lens1

    (c) lens2仿真亮度圖(c) Luminance map of retungular lens2

    (d) lens3仿真亮度圖(d) Luminance map of retangular lens3

    (e) 視角曲線圖 (e) Viewing angle curve of retangular lenses圖5 切割后透鏡的仿真模型、仿真亮度圖和坎德拉圖Fig.5 Simulation model, luminance and viewing angle simulations of retangular lenses

    (a)未切割透鏡(a) Original lens

    (b)切割透鏡(b) Cut lens 圖6 三款透鏡中心線上的亮度對(duì)比Fig.6 Camparison of luminance along horizontal line among 3 lenses

    圖6(a)表示3款透鏡未切割時(shí)中心線上(Y=0 mm處)的亮度對(duì)比,圖6(b)表示3款透鏡切割后中心線上的亮度對(duì)比。從圖6的亮度變化趨勢(shì)來(lái)看,越靠近中心部分,亮度越均勻;而在邊緣區(qū)域,亮度則明顯下降。從圖6(a)中可以看出:透鏡切割前,在|X|≤3.2 mm時(shí),隨著半徑增大,亮度減小;當(dāng)|X|≥3.2 mm時(shí),亮度隨著半徑增大而提高。從圖6(b)中可以看出:透鏡切割后,在|X|≤2.3 mm時(shí),隨著半徑增大,亮度減??;在|X|≥2.3 mm后,邊緣亮度變化趨勢(shì)不明顯。對(duì)于5.05 mm×6.7 mm的矩形,在長(zhǎng)邊中心處(對(duì)應(yīng)圖4亮度圖中X=0 mm,Y=2.525 mm),經(jīng)切割后的3款透鏡的亮度分別是33 790,33 431,30 760 nit。在X=3.35 mm,Y=2.525 mm處,經(jīng)切割后的3款透鏡在位置5.05 mm處的亮度分別是13 822,15 850和14 282 nit。

    4.2透鏡陣列仿真

    (a)透鏡陣列外形圖(a) Simulation model of lens array

    (b)lens1仿真亮度圖(b) Luminance map of lens1

    (c)lens2仿真亮度圖(c) Luminance map of lens2

    (d)lens3仿真亮度圖 (d) Luminance map of lens3 圖7 透鏡陣列及其仿真亮度圖Fig.7 Simulation model and luminance map of lens arrays

    將上文得到的3款透鏡分別拼接成2×2透鏡陣列,考慮到加工時(shí)的定位需求,在透鏡陣列周?chē)黾恿撕穸葹? mm的一圈底板。透鏡陣列模型及仿真結(jié)果如圖7所示??梢钥闯觯?采用lens1的亮度圖中心處有暗區(qū),均勻性不佳;而采用lens2和lens3的照度圖則比較均勻。其原因是透鏡四角拼接處(對(duì)應(yīng)圖7中X=0 mm,Y=0 mm)距離單個(gè)透鏡中心最遠(yuǎn),亮度最低,而lens1半徑最小,此處最暗,拼接后依然較暗;lens2和lens3由于半徑較大,此處亮度稍高,拼接后沒(méi)有出現(xiàn)暗區(qū)。

    為了更精確地分析透鏡的均勻性和性能,選擇5個(gè)具有代表性的點(diǎn),如圖8所示。P1是單個(gè)透鏡中心,P2是長(zhǎng)軸中心,P3是四角拼接處,P4是短軸中心,P5是前4個(gè)點(diǎn)的中心。3款透鏡陣列的仿真結(jié)果中這5點(diǎn)的亮度如表2所示。亮度的非均勻性公式為:

    (8)

    圖8 5點(diǎn)位置示意圖Fig.8 Location diagram of 5 sample points

    表2 5點(diǎn)位置仿真亮度值

    由圖6、圖7及表2可得:透鏡半徑越大,透鏡中心P1亮度越小,透鏡邊緣部分亮度越大。這是因?yàn)橥哥R半徑越大,同樣的光能覆蓋面積就越大,此面積內(nèi)的亮度就越小,因此半徑在滿足可切割條件的情況下越小越好。但若半徑過(guò)小,例如r=4.2 mm時(shí),P3處亮度又會(huì)過(guò)低導(dǎo)致均勻性變差,因此設(shè)計(jì)透鏡時(shí)半徑應(yīng)取較合適的值才能使亮度和均勻性都達(dá)到最優(yōu)。lens2構(gòu)成的拼接陣列的平均亮度比另外兩款lens稍高,均勻性最好,所以是效果最佳的模型。

    5 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與討論

    根據(jù)最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果,采用整體壓鑄工藝加工了2×2透鏡陣列模型,如圖9所示。

    圖9 透鏡陣列及背光模組Fig.9 Prototype of lens array and backlight unit

    將此模型放入背光腔中進(jìn)行亮度測(cè)試,為增大視角及提高均勻性,實(shí)際工作時(shí)在透鏡陣列上方放置了兩層擴(kuò)散膜(樂(lè)凱公司,CD178)。采用積分球和色度亮度計(jì)分別測(cè)試了采用和不采用透鏡陣列的背光模組的光通量和9點(diǎn)亮度[16],測(cè)試時(shí)驅(qū)動(dòng)電流為30 mA,9點(diǎn)亮度值如表3所示。表4給出了相關(guān)的其他測(cè)量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果,其中非均勻性是將9點(diǎn)亮度的最大值和最小值帶入式(8)計(jì)算得到的。

    表3 9點(diǎn)亮度測(cè)量值

    表4 各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試值

    為便于比較,測(cè)得背光腔中LED輻射的光通量為17.35 lm,不使用透鏡的只加兩層擴(kuò)散膜的傳統(tǒng)背光的光通量為8.7212 lm,光能利用率為8.7212/17.35=50.27%;采用透鏡陣列后光能利用率為9.9347/17.35=57.28%,所以提高了13.94%。

    采用透鏡陣列后,中心亮度(第一點(diǎn)亮度)增加了(79 920-40 700)/40 700=96.4%,亮度非均勻性為23.1%,比傳統(tǒng)兩層擴(kuò)散膜的非均勻性略有提高(23.9%)。

    采用ELDIM公司的視角測(cè)試儀EZ-LITE測(cè)試了兩種情況下的視角曲線。由于驅(qū)動(dòng)電流為30 mA時(shí)亮度值超過(guò)EZ-LITE的量程,考慮到視角特性不隨背光亮度發(fā)生改變,因此降低驅(qū)動(dòng)電流到3 mA,測(cè)試結(jié)果如圖10所示。圖10(a)和10(b)分別是兩層擴(kuò)散膜加透鏡陣列及不加透鏡陣列的視角圖。圖中黑色水平虛線對(duì)應(yīng)的亮度值是最高亮度的50%??梢钥闯觯簜鹘y(tǒng)的采用兩層擴(kuò)散膜的半亮度視角為37°,加透鏡陣列后的半亮度視角為19°左右。采用兩層擴(kuò)散膜和透鏡陣列,在提高中心亮度的同時(shí)降低了視角。盡管采用透鏡陣列后光能利用率提高了13.94%,不過(guò)根據(jù)能量守恒,亮度和視角仍是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo)。

    6 結(jié) 論

    本文設(shè)計(jì)了一種采用雙曲面透鏡陣列的頭盔顯示器液晶像源背光。和傳統(tǒng)的采用兩層擴(kuò)散膜的背光結(jié)構(gòu)相比,該背光在不改變現(xiàn)有外形結(jié)構(gòu)的情況下,光能利用率提高了13.94%,中心亮度提升了96.4%,亮度非均勻性略有提高,半亮度視角從37°減少為19°。該透鏡及其陣列對(duì)LED光源發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直,使得整形后的光束在距透鏡后表面很近(毫米級(jí))的探測(cè)面上就可形成所需的能量分布,因此適合用在限制尺寸、需要提高光效的光學(xué)系統(tǒng)中。

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    呂國(guó)強(qiáng)(1962-),男,浙江新昌人,教授,1983年、1986年于浙江大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位,現(xiàn)為合肥工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)研究院常務(wù)副院長(zhǎng),主要從事立體顯示、液晶顯示等方面的研究。E-mail: guoqianglv@hfut.edu.cn

    (版權(quán)所有未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載)

    Design of double freeform surface lens based on LED radiation characteristics

    (KeyLaboratoryofSpecialDisplayTechnologyoftheMinistryofEducation,NationalEngineeringLaboratoryofSpecialDisplayTechnology,NationalKeyLaboratoryofAdvancedDisplayTechnology,AcademyofPhotoelectricTechnology,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

    For the special requirements of the liquid crystal image source of a Helmet-Mounted Display(HMD), this paper chooses a smaller size and higher effective Light Emitting Diode(LED) as the backlight source. On the light intensity distribution curve of the LED, a double-freeform-surface lens array was designed based on the no-imaging optical theory to improve the backlight efficiency of the source. Three lens arrays with different radii were firstly designed to form a round light spot with uniform lightness. Then single round lens was cut to become a rectangular light spot and 4 lenses were combined to become a lens array. One lens with the best simulation results was selected to be fabricated and the backlight unit with such lens array was tested. The measurement results show that compared with the common backlight source, the luminous efficiency of the backlight source with 2 diffusers and the lens array increases by 13.94%, the luminance increases by 96.4%, the non-uniformity is slightly improved from 23.8% to 23.1%, and the viewing angle of full width of half maximum decreases from 37 degree to 19 degree. The designed lens array was used to collimate the light from LED sources, satisfying the requirements of the LED backlight in LC imaging engine of the HMD.

    Helmet-mounted Display(HMD); Light Emitting Diode(LED);LED backlight; non-imaging optics; freeform surface lens

    2016-03-07;

    2016-05-03.

    安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.1501021043)

    1004-924X(2016)08-1884-10

    TN141.9;TN312.8

    A

    10.3788/OPE.20162408.1884

    馮奇斌(1970-),女,天津人,博士,副教授,1995于華東工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位,2006年于維也納工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事立體顯示、LED背光等方面的研究。E-mail:fengqibin@hfut.edu.cn

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