图 2（a）中接收入射光线的棱镜的各个角度可由折射定律和三角法则计算[6]。经过计

算可取，

α=49.296°，β=98.024°，γ=32.5°。两个棱镜的平面平行，所以 γ2=γ=32.5°。而 α2 和

β2 的值则由光线模拟的具体情况而定。由上述算出的结果在 Tracepro 软件中建立经典的 TIR
棱镜的模型，如图

2（b）所示。 

　　

 TIR 棱镜也可以由三块棱镜粘合而成[7]，三块棱镜之间留有几微米的空气间隙，它是

在经典

TIR 棱镜的理论基础上建立起来的。它在 Tracepro 软件中建立的模型如图 2（c）所

示。

 

　　

 为了验证 TIR 棱镜的设计效果，建立一个光源，让其发出平行光，入射到 TIR 棱镜，

经

DMD 芯片调制后再由 TIR 棱镜透射或反射出去。所以，要对 DMD 芯片进行建模。DMD

芯片中有成千上万个像素点，在

Tracepro 全部列出是比较繁琐的，所以将其简化，像素设

为：

4×3。将 DMD 芯片模型中的像素点部分设为暗状态即旋转到-12°，部分设为暗状态即旋

转到

+12°，仿真结果如图 3 所示。 

　　

 与典型的 TIR 棱镜相比，三片式的 TIR 棱镜的体积较大，且加工较复杂，但亮光束和

暗光束的分离效果好，有利于提高系统的对比度。所以，系统的中

TIR 棱镜采用三片式的

TIR 棱镜。 
　　

 

　　

2 DLP 光学引擎系统的建模及仿真 

　　

 

　　

 经过前面的计算分析，系统主要元器件的参数综合如表 1 所示。 

　　

 根据表 1 提供的参数，整个光学引擎系统的在 Tracepro 软件中的建模图如图 4 所示。 

　　

 根据表 1 设置光源的各项参数，并将 DMD 的像素点全部设为亮状态，光学引擎系统

的仿真图如图

5 所示。 

　　

 测得屏幕上的入射光通量图如图 6 所示。 

　　

 由图 6 可知，总的输出光通量为 356.58 lm，所以系统的光能量利用率为： 

　　

 

　　

3 结 论 

　　

 

　　

 本文研究基于 LED 光源的 DLP 投影显示光学引擎，利用非成像光学理论计算了与所

选用的

DMD 芯片相匹配的 LED 光源的发光面的尺寸及方棒的尺寸，并在此基础上利用

Tracepro 软件对光学引擎系统进行设计、建模、模拟。测得屏幕上的光能输出为 356.58 lm，光
能利用率为

10.52%，照度均匀性为 68.7%。本设计采用单片式 DLP 投影显示系统，系统结

构简单，为进一步实验研究奠定了良好的基础。

 

　　

 

　　参考文献

 

　　

[1] 韩景福. LCOS 显示技术与 LCOS 背投[J]. 现代显示，总第 88 期（2008）. 

　　

[2] 徐 佳. 基于 LED 的 DLP 投影显示光学引擎研究[D]. 华东师范大学硕士学位论文，

2008. 
　　

[3] 刘 旭，李海峰. 现代投影显示技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，2009. 

　　

[4] 王蔚生，窦晓鸣，黄维实. 液晶投影机光棒照明系统的分析与设计[J]. 上海交通大学

光学工程研究所，光学仪器，

2004，第 26 卷，第 4 期. 

　　

[5] 邱 崧. 基于 LED 光源的 DLP 投影系统的研究[D]. 华东师范大学博士论文，2007. 

　　

[6] John W. Bowron, Reginald P. Jonas. Off-axis illumination design for DMD systems[J]. 

SPIE, 5186: 75-77, 2003. 
　　

[7] Chong-Min Chang, Han-Ping D. Shieh. Design of illumination and projection optics for