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微显示投影系统的小型化、长寿命是投影技术的发展方向。近年来,高亮度LED器件的出现,为微显示投影系统的长寿命、小型化提供了新的可能。LED具有发光效率高、无红外辐射、器件小、功耗低、寿命长等特点,在投影显示系统的应用中有着传统光源无法替代的优点。但是由于LED的外形和发光特性等和现有的投影灯源不同,使得现有的照明系统无法应用于LED,且无法满足投影系统小型化的要求。因此研究适合于LED的小型投影照明系统是非常必要和有意义的。 本文第一章介绍了投影显示的行业概况、分类,分析比较了目前主要的三种显示投影技术的光学结构,分别为TFT液晶投影显示、DLP投影显示和LCoS硅基液晶投影显示。详细介绍了两种传统光源的照明系统,方棒系统和透射型复眼系统,并分析了LED投影显示的发展现状。 第二章阐述了非成像光学原理,包括光学扩展量(étendu)原理,照明系统的能量利用率原理,并且介绍了临界照明、柯拉照明两种照明系统的原理。 第三章中介绍了高亮度LED的理论基础,结构特点,并且结合Lumileds生产的高亮度LED设计其散热方案,测量了Lumileds和Osram的LED配光曲线,提供LED光源模型。 第四章中提出了用于LED照明的反射型复眼的设计,介绍了复眼照明的理论基础,设计方法,以及采用ASAP模拟过程和结果分析。此设计利用光线反射缩短光学系统的机械长度,减小了体积,利用反射克服透射中产生的色散和透射损失,均匀度和效率都较好。 第五章中提出了用于LED照明的光棒和聚光系统设计,主要研究LED的排布与个数和照明效率之间的关系,以及聚光系统的数值孔径和照明效率之间的关系,寻找最佳匹配值。适合应用于多个LED照明,经过模拟可以达到100尼特的照度。 第六章中引入CPC设计,介绍了边缘光线理论,通过模拟计算,分析其效率和出射光线角度,根据加工要求,提出改进方案。 本文最后一章,对文中提出的三种设计进行比较,并总结工作,指出了新的工作方向。