激光显示照明系统的设计.doc

《激光显示照明系统的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光显示照明系统的设计.doc（30页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、毕业设计说明书激光显示照明系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6月摘要激光显示是一种值得关注的显示技术。它是继黑白显示、标准彩色显示和数字显示后的新一代显示技术，是显示技术的一场革命。激光显示能实现传统显示所达到的所有先进技术指标，如大屏幕、高分辨率、数字化等。由于激光显示使用激光为光源，充分利用了激光波长可选择和高光谱亮度的特点，因此显示图像具有更大的色域；且激光是线谱，具有很高的色饱和度，实现有史以来最完美色彩还原，使人们通过显示终端看到我们最真实、最绚丽的世界。本文对LCD，LCOS，DMD，GLV等光学引擎及各自的优缺点进行了介绍，并对DLP技术的原

2、理和DMD的工作原理进行了分析， 说明光学扩展量的概念及非成像光学在照明系统设计的应用，最后用光学设计软件ZEMAX设计基于单片DMD的激光显示照明系统，通过软件仿真得出照明系统照明均匀度、光能利用率、照明光束的数值孔径等特性。关键词：激光光源, 显示 , ZEMAX, DMD， 照明系统AbstractLaser display is a noteworthy display technology. It is a revolution of display technology after black and white display, standard color display an

3、d digital display. The laser display can achieve the performance of conventional display, such as large-screen, high resolution,digitalization. Laser display use the laser as the light source,which takes full advantage of the laser wavelength selectable and high spectral brightness. So images by las

4、er display have greater color gamut,and high color saturation. We can watch most beautiful world through the laser display terminal.In this paper, we have described the advantage and disadvantage of LCD,LCOS,DMD,GLV etc. optical engine,and analyzed the DLP technology principles and DMD works.Whats m

5、ore, we have described the concept of optical entendue and the application of the optical design of non-imaging optics.Finally we have used ZEMAX to design display optical systems based on single chip DMD.The simulation results show that the optical system have high energy utilization ratio, large n

6、umerical aperture of illumination beam, illumination evenness.Key Words: laser light source, display,ZEMAX, DMD, optical system 目录第一章绪论11.1研究背景11.2 投影显示技术发展现状3第二章 投影显示照明系统621 照明系统62.2 光学扩展量62.3单片式DLP投影光学引擎的基本结构和工作原理62.4复眼照明系统及工作原理DLP照度均匀度及光斑图82.5 方棒照明系统的工作原理9第三章 激光显示照明系统的设计方法1031系统光源103.2 积分方棒103.3

7、中继透镜11第四章 照明系统的设计与仿真124.1 系统的设计124.2 设定系统光源124.3 方棒的尺寸确定134.4 中继透镜设计184.5 系统的仿真分析：204.5.1光管出射光斑及光学扩展量204.5.2 DLP上光斑及均匀性21第五章 总结与展望23参考文献：24致 谢26第一章 绪论传统光源的属于泛光光源，光学发散角大，不利于照明系统的能量传输。与灯泡光源和LED光源完全不同,激光具有优越的空间传输特性，亮度极高，在很小的芯片上可以实现高的光能利用效率，这样便可实现高画质的大屏幕及超大屏幕投影显示，无需更换光源（免维护）、保持长久高画质、亮度及色温随时可调、实现超高亮度、适应各

8、种工程投影环境、实现无噪音投影环境等特点，如此这些，将导致显示系统综合性能的革命提升，这些特性无疑赋予了激光显示技术在高端应用尤其是高端大屏幕显示市场的广阔发展空间。1.1 研究背景显示技术可以分为直接显示与投影显示两类。直接显示技术主要包括阴极射线管(CRT)、液晶平板显示(LCD)、发光二极管(LED)、电致发光器件(EL)、场致发光器件(FED)、真空荧光显示(VFD)、等离子体显示(PDP)等1-4。大屏幕显示系统是当前显示技术发展的一个主要方向，在军事、模拟及训练、会议、教育、大型公共场所等场合有日益广泛的应用， 现代大屏幕显示系统因其应用范围广、技术难度大以及系统复杂而受到众多厂商

9、及科技人员的关注，现已成为显示领域内的研究热点。从显示原理和技术的角度来看，现在较为成熟和商用化的大屏幕显示技术主要有液晶显示技术、等离子显示技术和投影显示技术。投影显示技术诞生相对较早，因此发展的也比较成熟。伴随着近些年各种新型光电显示技术和器件的发展，投影显示技术也获得了新的生命力，各种数字投影机和投影电视的广泛使用，使得该技术在人们的日常学习生活中扮演着日益重要的角色。现代投影显示技术通常是以空间光调制器(Spatial Light Modulator-SLM)为核心，再配合各种光学元件组成投影系统的心脏光学引擎(Optical Engine-OE)，采用的光调制器不同，光学引擎的结构也

10、会有很大不同。但无论结构如何复杂，各类投影显示系统的工作原理都可以用即光源的光线经过表示。照明系统后被均匀的照射到空间光调制器上，而空闯光调制器根据显示信号的要求对照明光线进行调制，进而再经过投影系统放大投射到接收像面上进行显示。目前的投影技术中以LCD技术、DLP技术和LCoS技术为主 5-8，这些技术的主要区别就在于光调制器和配套的光学系统上。投影显示技术是实现大屏幕显示系统的一种有效途径，投影显示是将显示器件产生的图像经过光学系统投射到屏幕上产生图像的显示方式。根据显示器件形成图像的方式，投影显示可以分为发光型投影显示和调制型投影显示两类9。发光型投影显示是指在显示器件上直接形成高亮度的

11、图像，再由光学系统成像在屏幕上观看的显示方式，如CRT投影显示10和激光投影显示两类。调制型投影显示，显示器件本身不发光，而是根据输入信号改变显示媒质的某些电光特性，如反射率、投射率、折射率、双折射效应、散射等，经外加光源照射，将显示器件上的信息转变为图像经光学系统读出并投影在屏幕上11。主要包括LCD、LCLV(液晶光阀)、LCoS、DLP等各种投影显示技术。调制型投影显示系统通常由光源、照明光学系统、空间光调制器、驱动电路系统和成像光学系统等部分组成。按照投影机、观察者与屏幕的相对位置关系，投影显示系统可以分为正投影系统和背投影系统两类。前投是指投影机和观察者位于屏幕的同一侧的投影系统，其

12、特点是体积、重量小，亮度高，广泛应用于会议、家庭影院、数字影院、多媒体教室等场合。但图像效果容易受环境光的影响。前投市场的主要产品LCD投影机，但近年来随着DLP技术州的成熟，DLP投影产品所占有的市场份额迅速上升。相比于LCD投影技术，DLP前投系统在小型化和光学稳定性上更其优势。按照投影系统中所使用的微型空间光调制器件的数量，投影显示系统可以分为单片式和多片式，其中以单片式系统和三片式系统比较常见，两种投影显示系统在工作原理上最主要的区别在于采用不同的分色和合色方法。单片式系统中，任何像素在任一时刻只能显示一种颜色的图像信息。因而为了实现彩色显示，单片式投影系统通常让显示器件在不同时刻显示

13、不同的颜色信息，对相应颜色的照明光进行调制，并利用人眼的视觉迟滞效果，将连续快速交替的单色图像融合为彩色图像。三片式投影显示系统中，每一显示器分别显示R、G、B三基色中的一种颜色的图像信息，通常采用空问分色的方法，首先将白色照明光分为R、G、B三单色光路，分别照明相应的空间光调制器，在经由特定的光学元件或光路构将显示在显示器件上的3单色图像的像精确的重叠在起，合成为彩色图像，并由投影物镜成像在屏幕上。三片式系统通常具有更高的亮度和分辨率，但系统结构复杂，成本较高，常应用于对亮度等性能具有较高要求的高端投影显示设备。而单片式系统结构简单、成本低，但系统的能量利用率(亮度)也低，常应用于背投影系统

14、或便携式正投影系统等低端产品。整个投影显示市场可以分为消费产品、商务应用产品、大型公共场合应用产品、小型公共场合应用产品和高端应用产品等五个主要应用领域。消费产品市场主要包LCDDLP前投影产品。应用在大型公共场合，如体育馆、数字影院等的投影显示产品对系统的亮度有很高的要求，如液晶光阀投影系统，高亮度的三片式LCDDLP投影机等。商务应用市场主要包括如销售、展示、会议、培训等方向12。1.2 投影显示技术发展现状笼统地说，投影机内部构造可以分为三个系统：光学系统、散热系统以及电路系统。其中又以光学系统最为核心，因为它直接决定着投影机所能达到的画面品质。光学系统是由几个部分组成的一个整体，芯片、

15、镜头、光路设计等都纳入其中，不过最为核心的则是芯片，根据技术原理的不同，芯片可分为许多种，目前最为主流的算是LCD与DLP芯片技术，其次是LCOS技术。以下是一些光学引擎的制造商：七大DLP光学引擎制造商：明基BenQ，美国德州仪器（TI）公司、日本普乐士、惠普、奥图码、大恒公司（中国自主研发）。LCOS光学引擎：日本CHINONTEC，昂纳明达、Philips、ZEISS、韩国KTS。LCD：主要是精工爱普生和SONY14。 投影显示市场拥有每年上百亿美元的产值，并且未来几年里，投影显示技术的市场将继续高速增长。随着数字高清电视的普及，家庭消费产品将成为投影显示市场的主力。传统的CRT投影技

16、术将逐渐被日趋成熟的LCDDLPLCoS投影显示技术所取代，投影显示市场的争夺也将逐渐从LCD、DLP等技术与CRT技术问的竞争向液晶投影技术与DLP投影技术间的竞争转变。根据所使用的空间光调制器的类型划分投影显示系统的类型是另一种常用的分类方法，包括透射式调制器件和反射式调制器件两类。透射式空间光调制器主要包括微TFT-LCD器件15 16。经过长期的发展，LCD技术已经比较成熟，在投影显示系统中得到了非常广泛的应用，其产品涵盖了从高端的高性能正投影系统到低端的家用背投影系统的几乎所有市场领域13。反射式空间光调制器是一种应用于投影显示系统的新型微型显示器件，如基于液晶技术的LCLV、LCo

17、S器件和基于MEMS技术的DLP器件等。相比于透射式的TFT-LCD器件，反射式空间光调制器具有更高的像素开口率(像素透光或反光面积与像素总面积之比，TFT_LCD的像素开口率在60左右，而LCoS和DLP器件的开口率可以达到90)，有利于实现更高的系统能量利用率，同时也具有更高的显示分辨率，例如目前O7英寸TFT-LCD器件可以实现1024768像素的分辨率，而相同尺寸的LCoS器件可以实现1280X 1024甚至更高的分辨率。由于LCD仅能对偏振光进行调制，为此在LCD光学引擎的光学系统中必须包含各种偏振器件，如偏振转换器、偏振分束器等元件，这增加了光学系统的复杂程度，同时照明系统中为实现

18、匀光而普遍使用的蝇眼透镜阵列不仅增加了系统的成本，也给光学系统的装调带来了一定困难。LCD自身的透光能力有限，再加上照明系统中大量光学器件的影响，使LCD投影光学系统的光能利用率较低。因此通常采用三片LCD光调制器分别对红绿蓝基色光进行调制，由于采用3LCD技术，相对于单片LCD技术，它有着自己较大的优势：无色彩分离现象。由于该技术同时投影全红色域、绿色域和蓝色域的三种图像，因此消除了色彩分离现象或“彩虹现象”，避免了眼睛疲劳和视觉疲劳。部分产品通过色彩处理和12位处理最高可实现6870亿投影色彩。超级灰阶。3LCD产品具备多种中性灰度色调，甚至可以精细还原多达100万兆种灰阶。画面更明亮、更

19、柔和、更自然14。 DLP技术是由美国德州仪器公司于1987年发明的，该技术包括D加(Digital Micromirror Device)芯片及相关配套应用技术。DMD芯片表面有许多方形微反射镜，每个反射镜的尺寸为16 um16 um或者更小，反射镜间距可以达到lum，最新的DMD器件每个微反射镜都可以受二进制脉宽调制沿着它的对角线独立偏转+12度。由于每个微镜每秒钟的开关次数可以达到5万次以上，因此微镜的快速开关能得到不同灰度级别的光显示，而要实现彩色图像的显示，只须DMD快速的调制红绿蓝基色光并投射到屏幕上即可17-19,DLP技术是一种纯数字技术，能够很好的满足未来数字多媒体显示的需要

20、。DMD芯片是一种反射型光调制器，其表面的微反射镜具有很高的反射率和很小的镜间距，使得DMD具有近90的开口率，光能利用率也比透射式的LCD要高。此外DMD的使用寿命很长，通常可长达10万小时。DMD光调制器对光线的偏振态没有要求，所以光学系统的结构可以得到简化，而合理的光路偏折不仅有利予光学系统的结构紧凑，还能减小照明杂散光的影响，获得更高的对比度。因此同样是一片光调制器，与LCD投影相比，DLP投影在图像分辨率和亮度对比度方面具有更为出色的表现，而在颜色表现方面由于自身的一些不足致使其略逊于前者20。LCoS光调制器也是依靠液晶实现对光线的调制的。与LCD光调制器不同的是，它结合了DMD光

21、调制器的优点，成为基于液晶光调制的反射式调制器。与LCD光调制器相比，LCoS的反射式结构将单元的控制和寻址电路都置于反射镜背面，使得单元间的距离很小，可以获得90以上的开口率；与DMD光调制器相比，基于液晶光调制的特点使其可以获得很好的颜色表现。因此从理论上说，LCoS光调制器可以实现高图像质量和较好颜色还原的投影显示，是一种近乎完美的投影显示光调制器。只是限于实际的产业化问题，使得它在现阶段还难以得到大范围的应用21。GLV是 Grating Light Valve的缩写，即“栅状光阀”成像系统，是一种全新的高精度光电调制器。该技术最先是由美国斯坦福大学的戴维布教授和其学生发明。于1994

22、年交由美国CLM（Cilicon Light Machines）即硅光机公司开发， GLV栅状光阀与DMD微镜器件，都是依靠静电驱动微型机械部件，对入射光的强度和反射方向进行控制的器件，它们同属于“微机电系统”。不同的是，微镜器件是由微小的镜子阵列组成一个面阵，而GLV是一个线阵式硅芯片器件，只能产生一条竖直的线阵式像素，要变成一个平面图像还要依靠光学的扫描方法。GLV的最大特点是具有较大的色彩表现范围。它所产生的投影图像其三基色的色纯度很高，图像色彩非常鲜艳，这是任何其他光源所达不到的。GLV显示图像具有较高的对比度。由于GLV显示使用了折射方式，激光显示，环境光的干扰较小，特别是室内的低饱

23、和度色光，不会对激光显示的高饱和度色光产生强度上的影响，因而对比度和色度都可以达到很高的指标，使得图像明亮而层次丰富。GLV器件的结构比微镜器件简单，成品率会高些。GLV栅状光阀器件，结构虽然也很精巧复杂，这比起DMD微镜器件来说，单元总量仅为其千分之一，成品率应该高出上千倍，其降价速度应当更快些。GLV显示系统内使用了激光光源和机械旋转装置，结构较为复杂。与DLP、LCD等显示设备不同的是，其内部不是全电子方式。电子方式只限于一条垂直方向的GLV器件，要变成一幅图像，还得要依靠机械方式的旋转棱镜，才能把一条垂直线展开成为矩形图像。这虽然不是成本主流，但是也增加了成本，并且降低了整机的可靠性。

24、而且，其光源不像液晶和微镜器件投影机是使用普通的灯泡，而是复杂昂贵的激光器，这又增加了成本22。第二章 投影显示照明系统21 照明系统照明系统是将光能从光源传递到空间光调制器件的桥梁。照明系统的设计，一方面要考虑显示器件对整个系统光学扩展量的限制，另一方面需要考虑光源的空间光强分布对能量利用率的影响，力图在限定的扩展量范围内获得最佳的输出光通量。投影显示系统需要在大面积范围内获得高质量的图像显示，因而要求光学系统必须满足高的光能输出和充分均匀的照明的要求。复眼和方棒是目前最为常用的两种照明系统，其基本原理都是将单一的光源成像为二维的光源阵列，并将光源阵列的像叠加，以实现高均匀性的照明光斑。照明

25、成像系统将照明光会聚在空间光调制器上，通常采用柯拉照明的形式，将光能分布均匀的前段照明系统的光阑成像在显示器件上，如复眼照明系统中的第一组复眼透镜和方棒照明系统中的方棒出射端，从而满足系统对均匀性的要求。2.2 光学扩展量光学扩展量(Etendue)是非成像光学理论中的重要概念，用于描述具有一定孔径角和截面积的光束的几何特性。其定义如式2-1所示： （2-1）式中为面积dA与立体角d 的中心轴之间的夹角。由上式可见，光束的扩展量实际上是光束所通过截面积与光束所占据的空间立体角的积分。光学扩展量是一个用于描述光束或者光学系统元件所允许通过的光束的几何边界的量，本身不携带光能的空间分布的信息。系统

26、光学扩展量越大，表示系统允许通过的光束越大，系统传输光能的能力越强，但如果考虑光能的空间密度分布，不同的扩展量可以包括相同的光能，而相同的扩展量也可以包含不同的光通量，因此扩展量的增加并不一定能产生相同程度的能量效率的提高，同时还会引起系统复杂度和成本的增加。2.3 单片式DLP投影光学引擎的基本结构和工作原理单片式DLP投影系统光学引擎包括照明系统、分色合色系统以及投影系统三部分，它的基本结构如图所示23-25。 图2.1 单片式DLP投影光学引擎的基本结构照明系统由光源和反光碗(Lamp and reflector)、积分方棒(Integrator rod)、中继系统(Relay syst

27、em)构成。光源一般采用超高压水银灯，它通过灯弧间高压放电产生白光。反光碗是旋转椭球面的一部分，当灯弧置于椭球面的一个焦点时，经过反光碗的反射，灯弧会在另一个焦点处成像。而积分方棒就置于这个焦点的附近，它起到的作用是匀光，即当反光碗收集的光线经由积分方棒出射时，在方棒的出射端面光线的照度分布是非常均匀的。之后中继系统把方棒的出射端面成像至DMD芯片的表面，就实现了对DMD微镜阵列的均匀照明了。由于DMD器件对调制光的偏振态没有要求，所以整个照明系统当中无需使用偏振元件，系统复杂程度也低于LCD投影系统。单片式DLP光学引擎的分色合色系统其核心是一个色轮(Color wheelCW)，它通常位于

28、积分方棒的前面，表面有红绿蓝基色滤色片，并能利用马达高速旋转。当反光碗把光源的光会聚到方棒端面时，白光经过旋转的色轮滤色片后变为红绿蓝三种基色光，经过积分方棒匀光后又依次均匀照射到了DMD表面上，而DMD根据显示信号对依次照明的基色光进行同步调制，就能通过投影物镜在屏幕上实现红绿蓝基色图像的显示，若基色图像的变换速度足够快以致人眼无法分辨时，人眼就会产生视觉暂留效应，看到的就是彩色的图像。投影系统主要是由全内反射棱镜(TIP,Prism)和投影物(Projcctionlolls)组成的。TIR棱镜由两块棱镜构成，之间留有空气间隙，如图所示。当光线从一端入射时，在紧邻空气间隙的表面发生全内反射照

29、射到DMD表面，在被DMD表面的微镜阵列反射后再次到达该表面时，光线将不满足全内反射条件产生折射，最终射入投影物镜或者被吸收掉。这样TIR棱镜就把入射的照明光束和出射的投影光束完全分离开来，减少了照明系统中的杂散光干扰，提高了显示对比度26-29。 投影物镜负责将DMD调制后的光线投射到屏幕上，由于TIR棱镜恰好位于DMD与投影物镜之间，因此要求投影物镜有较长的工作距离，同时还要具有较大的视场角以满足大屏幕投影的需要，故通常采用反远距的结构形式。2.4 复眼照明系统及工作原理DLP照度均匀度及光斑图复眼照明系统是投影显示系统中常见的一种照明结构，能够将光源发出的圆形光斑转换为显示器件需要的矩形

30、光斑，同时还可以有效的提高系统的照明均匀性。图2给出了复眼照明系统的基本结构。整个复眼照明系统由集成反光碗的光源、复眼透镜和后继照明透镜组组成。复眼透镜由一系列小透镜拼合而成，也可以称为透镜阵列。图3给出了实际的复眼透镜的阵列结构。复眼照明系统通常配合抛物型光源使用，系统中引入两组复眼透镜以获得高能量利用率和高均匀度的照明光斑。其工作原理是：发光电弧位于抛物碗的焦点上，发出的光线经冷抛物反光碗反射后成为近准直光束，投射在第一组复眼透镜上，并由第一组复眼的小透镜会聚成像在第二块复眼透镜上，从而将一个光源分成多个光源。第二组复眼透镜位于第一组复眼透镜的焦平面上，它的每个小透镜将前排复眼对应的小透镜

31、重叠成像于无穷远，然后由后继照明透镜组成像于空间光调制器的表面上。准直透镜同时又把第二排复眼透镜(第一排复眼所成的多个光源像)成像在投影物镜的出瞳处(无穷远处)，从而形成柯拉照明结构。由于光源的整个光束被分为多个细光束照明，每个细光束的均匀性优于整个宽光束的均匀性，而且对称位置上的细光束光斑相互叠加，进一步补偿了细光束的不均匀性，因而采用双组复眼透镜的系统可以获得良好的照明均匀度。 图 2.2 复眼照明系统的基本结构 图 2.3 复眼透镜的基本结构为充分发挥透镜阵列的作用，需要选择适当的复眼透镜结构参数，包括透镜口径、小透镜的焦距和数值孔径、以及复眼的行列数。透镜口径和数值孔径由空间光调制器和

32、光源共同决定，直接影响着系统的能量利用率。小透镜的行列数对系统均匀性有很大影响。小透镜数量太少，不能将照明光分为足够的细光束，因而无法满足系统对亮度均匀性的要求。透镜阵列的行列数过多，不仅会增加器件加工的难度，而且也会限制部分光束的通过，引起系统能量利用率的降低。2.5 方棒照明系统的工作原理方棒是另一种常用的将光源输出的圆形光斑转化为液晶板所需要的矩形照明光斑，同时满足系统光能利用率及照明均匀性要求的光学系统，常与椭球型的冷反光碗光源配合使用。其工作原理类似于光纤。通常方棒位于椭球反光碗的第二焦点上，其截面长宽比与液晶板的长宽比相等。光线进入方棒后，经过多次反射从另一端面出射，在出射面上形成

33、照明均匀的矩形光斑。图4给出了方棒器件的工作原理。图 2.4 光线在方棒内的多次反射方棒可以是实心的玻璃棱镜，也可以是由镀有高反射薄膜的平面反射镜粘接而成的空心器件。实心方棒利用光波在玻璃内的全反射，具有反射效率高，加工方便，成本低的特点。而空心方棒利用反射镜实现光能在方棒内的传输，虽然反射效率较低，却避免了玻璃材料的吸收和实心方棒前后表厦的反射造成的能量损失。图2.5 玻璃方棒 第三章 激光显示照明系统的设计方法传统的单片式DLP光学引擎照明系统由弧光灯光源和反光碗、积分方棒、中继系统构成，这里我们采用激光光源，耦合透镜，积分方棒，中继透镜。激光光源是一种理想的光源，目前技术正日益成熟。LE

34、D光源是目前微型光引擎中主要的光源，半导体激光（LD）光源是另一种讨论的较多的光源。对比LED光源，其在普通照明，汽车照明，LCD显示等方面都有大量的市场需求，我们需要设计基于单片DMD的激光显示照明系统，激光发散角12.7度；DMD尺寸1611.38cm。通过光学设计软件仿真得出照明系统的特性，如照明均匀度、光能利用率、照明光束的数值孔径等。31 系统光源由于激光光源具有单波长，准直，偏振输出等优点，相比于传统光源,色彩表达力强、功耗低、寿命长, 无需更换光源（免维护）、保持长久高画质、亮度及色温随时可调、实现超高亮度、适应各种工程投影环境、实现无噪音投影环境等特点，如此这些，将导致显示系统

35、综合性能的革命提升，这些特性无疑赋予了激光显示技术在高端应用尤其是高端大屏幕显示市场的广阔发展空间。随着其成本降低、性能提高、体积减小,激光光源必将成为更新换代的主流光源。在这里我们选用激光光源设计照明系统。3.2 积分方棒 方棒是一种常用的将光源输出的圆形光斑转化为所需要的矩形照明光斑，同时满足系统光能利用率及照明均匀性要求的光学系统。积分方棒一般是实心玻璃棒或者中空的玻璃棒，前者利用全内反射原理，后者则是在中空内壁镀有反射膜，这样光线进入方棒后经过多次反射就能实现匀光的目的。其截面长宽比与DMD芯片的长宽比相等。光线进入方棒后，经过多次反射从另一端面出射，在出射面上形成照明均匀的矩形光斑。

36、 图3.1 积分方棒原理示意图光源发出的光能经过方棒多次反射后均匀分布在方棒的出射端，但由于光学系统结构和方棒尺寸的限制，通常无法直接将方棒的处射面直接置于空间光调制器的表面上，因而在方棒后面需要引入额外的中继透镜组，将方棒的出射面成像在至DMD芯片表面，使DMD表面形成亮度均匀的照明光斑。中继系统必须具有较高的光能利用率，但它对像差的要求并不是很严格，只需进行简单的像差校正以保证照明均匀性不被破坏即可。照明透镜组需要满足光源方棒与显示器件投影物镜之间光学扩展量的匹配，从而保证系统的能量利用率，同时照明镜组的结构也要考虑光学系统和机构的要求。 图 3.2 照明系统结构图3.3 中继透镜要通过中

37、继透镜组将方棒出射端成像在DMD器件表面，方棒通常具有与DMD相同或接近的长宽比。照明镜组的放大率等于空间光调制器与方棒出射端尺寸之比，不仅要求尽量减少透镜的数量，而且还要考虑光路转折、各种棱镜等对光路的影响。方棒照明系统的设计，可以从简单的4F式光路结构出发，如图所示。图 3.3 4F成像系统的基本结构4F系统中方棒的出射端和空间光调制器分别位于第一块透镜的物方焦平面和第二块透镜的像方焦平面上，两块透镜焦距之比就是系统的放大率，即：根据照明系统对机械结构的要求，就可以得到两块透镜的焦距，从而得到照明光路的初始结构。但是两片球面透镜的结构无法满足系统对像差的要求，可以在此基础上通过增加新的透镜

38、或是采用非球面透镜实现像差的校正。通常，采用3到4片透镜的照明光路可以较好的满足系统对照明光斑质量的要求。第四章 照明系统的设计与仿真4.1 系统的设计 空间光调制器(DLP)的光学扩展量本设计DLP尺寸为长16mm宽11.38mm，DMD器件的反射镜转动角度达到了12。方棒照明系统的像高和像方数值孔径或F数由DMD芯片决定。对于微反射镜偏转角度为的DMD器件，照明光束的F#由下式决定： （4.1）其中为芯片空气的折射率，为照明光束的数值孔径NA=sin12.7=0.22。当为12度时，可得F#=2.4。也即，照明光束的孔径角最大为。根据公式计算该空间光调制器的光学扩展量为：24.8。入射光管

39、的光学扩展量设入射光管的光斑尺寸为R1.25mm，则光管入射处光学扩展量为： （4.2）系统光源的发散角12.7，方棒长宽高分别为4mm,3mm,25mm, DLP最大孔径角。4.2 设定系统光源 我们用软件zemax进行系统设计，首先激光光源设定为二极管。图4.1 设定光源为二极管光源 图 4.2 光源的波长4.3 方棒的尺寸确定方棒照明系统是投影显示系统中常用的均匀照明和提高能量利用率的方法。其中方棒的截面尺寸和长度对照明均匀度有很大的影响。光束在方棒出射端与入射端具有相同的发散角，而方棒出射端面积的大小和光束发散角由空间光调制器的光学扩展量决定，因此，一旦空间光调制器的尺寸和微镜偏转角度

40、确定了，那么方棒的端面尺寸和出射角度乘积也就确定了。由于方棒出射端对光束均匀度的要求，光束在方棒内要保证一定的反射次数，因此方棒的长度也就确定了。从这个角度考虑，如果想使用较短的方棒，就要增大入射光束的发散角，并减小方棒的截面尺寸。因此，方棒尺寸的确定必须综合考虑系统能量利用率、照明均匀性、照明光斑余量以及机构尺寸等因素的要求。投影显示系统需要在大面积范围内获得高质量的图像显示，因而要求光学系统必须满足高的光能输出和充分均匀的照明的要求。照明系统的作用就是收集光源发出的光能，并在微型显示器件上形成亮度均匀的照明光斑。同时调整照明光斑的形状，以适合显示器件通常具有的矩形形状要求，减小由于照明光斑

41、形状不匹配而产生的能量损失。作为光能从光源到空间光调制器件的桥梁，照明系统的设计不仅要考虑像方，即显示器件一侧对照明光斑的尺寸、数值孔径等的要求，也要考虑光源的空间光强分布等因素的影响，以同时满足系统对照明均匀性和能量利用率的要求。本设计DLP尺寸为长16mm、宽11.38mm（约4：3），DMD器件的反射镜转动角度12；光源为高斯分布光束，功率100W；根据DLP的尺寸要求，方棒截面选择43mm。 图 4.3 设定方棒材料尺寸方棒长度增加，能够增加照明的均匀性，但并不是越长对均匀性的效果越明显，当达到一定长度时，均匀性随长度改变不明显。下面是针对截面为43mm方棒的不同长度均匀性的软件模拟结

42、果。图 4.4 探测器控制面设光管截面为43mm，不同长度输出端的均匀度如下。1、长度5mm图4.5 长度5mm输出端光斑和光能分布2、长度10mm图4.6 长度10mm输出端光斑和光能分布3、长度17mm图4.7 长度17mm输出端光斑和光能分布4、长度22mm图4.8 长度22mm输出端光斑和光能分布5、长度27mm图4.9 长度27mm输出端光斑和光能分布6、长度33mm图4.10 长度33mm输出端光斑和光能分布7、长度43mm图4.11 长度43.5mm输出端光斑和光能分布根据模拟，光管长度达到25mm后，随着长度的增加均匀度改善并不明显。且长度的增加，不利于光能利用。因此，选择截面

43、尺寸4mm*3mm，长度25mm的光管。均匀度效果如下。可以看到，光斑输出形状和照度均匀度较好。图 4.12 长度25mm光管出射端光斑图4.13 长度25mm光管出射端X方向均匀度图4.14 长度25mm光管出射端Y方向均匀度4.4 中继透镜设计 在这里我们用4F系统设计中继透镜，DLP尺寸为长16mm宽11.38mm，方棒长宽高分别为4mm,3mm,25mm,照明镜组的放大率等于空间光调制器与方棒出射端尺寸之比， M=。中继系统两个透镜的焦距分别为10mm,40mm。首先是焦距40mm的透镜，zemax设计如下：图 4.15 透镜的编辑 图 4.16 透镜优化 图 4.17 3D外形图下面

44、是焦距10mm透镜的设计过程： 图 4.18 透镜参数和评价函数 图 4.19 透镜的外形图和特性曲线4.5 系统的仿真分析：图 4.20 系统的参数图 4.21 系统的3D 外形图4.5.1 光管出射光斑及光学扩展量 图 4.22光管出射端光斑及尺寸图 4.23出射端光均匀度光管出射端光学扩展量为4.5.2 DLP上光斑及均匀性经光管进行光斑转换及中继光学系统后，DLP上光亮度如图：图4.24 DLP上光斑及照度 图4.25 X、Y方向的照度均匀性由上图可以看到，在DLP上的照明尺寸略微偏小，但照明均匀性较好。DLP上光通量为70.9lm,幅通量70.9W，光源功率100W,系统的能量利用率

45、为70.9%。第五章 总结与展望视觉是人类获取外界信息的主要手段。随着科学技术的迅猛发展和信息的爆炸式增长，显示技术对提高人们的信息获取和处理能力有着非常重要的作用，而人们对显示系统的亮度、分辨率化也有着越来越高的要求。投影显示，是迄今实现大屏幕显示的最为理想的方案，随着微型空间光调制器技术和光学技术的发展，投影显示系统在大屏幕显示的图像亮度、分辨率、清晰度、以及图像对比度、色彩、稳定性、寿命等方面的性能得到不断提高，多媒体和数字化功能不断丰富，体积、重量和成本则不断降低，在众多场合具有日益广阔的应用前景。光学系统是投影显示系统主要组成部分之一，对整个系统的能量利用率、照明均匀性、对比度、分辨率、色彩等性能都有着重要的影响。投影显示产品的不断更新换代，对提高系统的亮度、对比度等光学性能提出了很高的要求。本文通过了解各种光学引擎的现状，分析光调制器和照明系统的原理，对复眼和方棒两种常见的投影照明光学系统的原理和设计方法进行了详细的讨论，采用ZEMAX光学设计软件，并以光学扩展量为依据，结合光源的空间光强分布，设计以激光为光源的投影机光学引擎的照明系统，获得了最终的设计结果。参考文献1J. Bowron, J. Brum, S. LiTing etc. “AMLCD Applic