TIR透镜在LED投影显示技术中的应用

在微投影应用场景下，使用LED作为光源代替传统光源已经成为一种趋势，但是LED光源具有光线角度大不能满足投影显示系统要求的缺点。为了弥补这一不足，需要利用TIR透镜对LED光源进行收集与整形。

TIR透镜，即全内反射透镜，是采用全反射原理将光线收集并处理。根据LED光能的分布特点，通过控制光线路径得到TIR透镜折射面和反射面轮廓曲线上的离散点，再利用插值得到样条曲线，最后旋转360°即可得到TIR透镜的模型。利用Tracepro软件对经过TIR透镜的光线进行追迹，根据光能利用率来优化透镜参数，最终在缩小透镜尺寸的同时，使得光能利用率打到95.26%，光束发散角控制在15°以内。

如上图表所示，区域1中曲面与LED光源顶端距离不小于0.5mm，TIR透镜出口孔径最大不超过16mm，光轴上长度不超过8mm。

  LED微投影显示系统的整体结构如上图所示。其中OSTAR（r）Projection系列LED专门用于投影照明。选定三基色组成LED光源，每个光源用四个方形LED芯片组成。LED发出的光经过TIR透镜再经过X棱镜的混色和PBS的偏振作用后作用于LCOS显示芯片照明。TIR使用的材料为PMMA（n=1.5）。

评价TIR的性能时，主要从系统光能利用率和照明均匀性考虑。前者是目标屏上的光通量与LED发出的光通量的比值，后者是将目标屏分成m×n个方格，计算每个方格的照度，其标准差与平均值的比值为照明均匀性。总体的评价函数需要对该两者加权。

文献还运用了基因遗传算法GA进行全局优化来寻找TIR透镜的最优结构参数。每个基因采用8位二进制编码表示。经过多次迭代基本达到全局收敛。