基于RGB三色LED光源照明的DLP投影系统光路设计浙大硕士毕业论文

论文作者签名指导教师签名论文评阅人1评阅人2J亚阕。3评阅人4评阅人5脊睡页驻丽_二渔邀委员1奎匕圭委员2金澧委员3猃渔鳖委员4委员5答辩日期冽岁只彩AUTHORSSIGNATURE一SUPERVISOR7SSIGNATURETHESISREVIEWER1麴I迪E盟GTHESISREVIEWER2THESISREVIEWER3，THESISREVIEWER4THESISREVIEWER5ZHENHUACHERTZICHUNILECHAIRHAOCHIFCOMMITTEEOFORALDEFENEE一一一一一一COMMITTEEMANLZHAOFENGCENCOMMITTEEMAN2FEIHONGYUCOMMITTEEMAN3HAISONGXUCOMMITTEEMAN4DATEOFORALDEFENCE浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名属豁，答字日期彻弓年歹月节日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解迸婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名屋穗音，导师签名签字日期溯乡年歹月彳日签字日期矽哆年歹月刁日浙江大学硕士学位论文致谢致谢时光飞逝，弹指一瞬间，在浙大七年的求学生涯即将结束。回首过去，结识了许多良师益友，学到了很多做人做事的道理，成为我终生难忘的宝贵财富。在论文即将完成之际，我要对他们表示真诚的感谢。在研究生三年里，我非常幸运地得到了导师余飞鸿教授的悉心指导以及无微不至的照顾，余老师是一位非常难得的好老师，他严谨的工作态度，踏实的工作作风，坚忍不拔的毅力，勤奋的工作态度以及诚恳的为人无一不让我万分敬仰，并将对我的一生产生积极影响，恩师的谆谆教诲将让我受益终身。同时也要感谢实验室的各位师姐师兄师弟师妹，感谢张文字师兄，刘钦晓师兄，高慧芳师姐，陈恩果师兄，夏果师兄在平时的学习科研中，给我许多帮助与建议，让我获益匪浅。还有庄振峰博士，刘振杰博士，王潇，张倩，韩昕彦等同窗好友，平时一起相互帮助，相互讨论，给了我很多新的想法和灵感，多次帮助我解决科研上遇到的难题，留下许多欢乐美好的回忆。感谢我的家人，你们无时不刻地默默关心牵挂我，鼓励和支持我，包容我的自私任性，给我最大的精神支持，是我一路前行最大的动力。感谢所有关心帮助我的同学，朋友，让我的研究生求学生涯绚烂多彩，给我留下许多温馨美好的珍贵回忆。屈碧香2013年1月于浙大玉泉浙江大学硕士学位论文摘要摘要微型投影技术是一种新型的现代投影显示技术，它凭借自身的小型化，便携化而逐步渗入到人们的日常生活中，在当今飞速发展的信息化年代越来越受到人们的青睐，成为投影显示的一大重要发展潮流。DLP投影显示方式具有高亮度，高对比度，高分辨率的特点，与新型LED光源结合，实现小型化的便携式微型投影，满足人们对投影显示随身化与自由化的需求。本文主要阐述了DLP投影显示的基本原理及照明系统的核心元器件设计思路。基于光学扩展量匹配的原理，设计一款适用于商务投影展示或家庭影院的便携式微型投影光引擎。论文首先从理想光源与扩展LED光源两方面推导了复眼匀光照明原理，获得LED光源，复眼透镜与显示芯片光学扩展量匹配的条件。基于DLP投影光引擎的照明设计的难点，提出了应用曲面斜率危控制优化的方法应用于LED光源准直光路设计，得到光斑直径与发散角度符合复眼匀光要求的准直光束，实现最大程度的利用LED光源能量，90以上的LED发光能量能被后续系统所利用。结合偏置投影物镜的设计要求，尝试将非旋转对称的楔形自由曲面透镜引入成像镜头设计，基于CODEV光学设计软件，建立自定义的像质评价函数分别对X,Y两个方向上点列点均方根半径大小值进行控制的优化方法，在不增加镜头尺寸的条件下，实现偏置投影，为今后的偏置式投影镜头提供了一种新的思路。论文设计并加工的的投影光引擎结果为投影分辨率为1280X800WXGA，投影镜头在05M3M的投影距离下，投射出15INCH90INCH的全偏置画面，实现LED功率45W条件下，光通量输出达到3001M以上，均匀性95以上的高品质投影显示效果。论文最后对设计方案进行公差分析，杂散光研究处理，用于指导系统机械方案及散热方案的设计，使得整机方案更合理化，易于大规模批量生产。关键词LED，DLP，复眼照明光学扩展量微型投影自由曲面优化浙江大学硕士学位论文ABSMLCTABSTRACTASABURGEONINGTYPEOFMODEMPROJECTIONDISPLAYTECHNOLOGY,PICOPROJECTIONSHOWSTHEADVANTAGESOFITSMINIATURIZATIONANDPORTABLESIZEPICOPROJECTIONTECHNOLOGYHASGRADUALLYCHANGEDPEOPLESDAILYLIFEANDATTRACTEDMOREANDMOREATTENTIONWITHINTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHEINFORMATIONAGENOWADAYS，PICOPROJECTIONTECHNOLOGYISBECOMINGONEOFTHEMOSTIMPORTANTDEVELOPMENTTRENDSOFPROJECTIONDISPLAYDIGITALLIGHTPROCESSINGDLPPROJECTIONDISPLAYTECHNOLOGYHASDISTINCTCHARACTERISTICSOFHIGHBRIGHTNESS，HIGHCONTRAST，HIGHRESOLUTIONWITHTHEHELPOFNEWTYPESOFLIGHTEINJUINGDIODELED，DLPTECHNOLOGYCOULDPROMOTETHEMINIATURIZATIONOFPORTABLEPROJECTIONANDMEETTHENEEDSOFLIBERALIZATIONANDPORTABILITYTHISTHESISMAINLYDISCUSSESTHEBASICPRINCIPLEOFDLPPROJECTIONDISPLAYANDTHEDESIGNMETHODSFORKEYCOMPONENTSOFTHEILLUMINATIONSYSTEMBASEDONTHEETENDUEMATCHINGPRINCIPLE，WEOFFERACOMPLETEDESIGNSOLUTIONFORAPORTABLEPROJECTIONLIGHTENGINE，WHICHCOULDBEAPPLIEDTOCOMMERCIALDISPLAYORHOMETHEATERUSEFIRSTLY,THEILLUMINATIONPRINCIPLEUSINGAFLYEYEINTEGRATORISDERIVEDBASEDONBOTHTHEIDEALLIGHTSOURCEANDEXTENDEDSOURCEAPPROXIMATIONFROMTHIS，WECOULDCONCLUDETHEETENDUEMATCHINGCONDITIONSAMONGTHELEDLIGHTSOURCE，NYEYELENSANDDMDDISPLAYPANELCONSIDERINGTHEDIFFICULTYINDESIGNINGDLPPROJECTIONOPTICALENGINE，THETHESISPRESENTSTHELEDLIGHTCOLLIMATIONDESIGNWITHTHEAPPLICATIONOFSURFACESLOPEANGLECONTROLMETHOD，WHICHCOULD，GETREASONABLESPOTDIAMETERANDDIVERGENCEANGLEFORSUBSEQUENTNYEYELENSANDRELAYLENSSYSTEMTHISDESIGNACHIEVESTHEMAXIMUMUTILIZATIONOFTHELEDLIGHTSOURCEENERGY,ANDMORETHAN90OFTHELEDEMITTINGLUMINOUSENERGYCANBEUSEDBYSUBSEQUENTSYSTEMCONSIDERINGTHEDESIGNREQUIREMENTSOFOFFSETPROJECTION,THISTHESISINTRODUCESANONROTATIONALLYSYMMETRYWEDGEFREEFORMLENSINTOIMAGINGSYSTEMDESIGNWITHTHEHELPOFOPTICALDESIGNSOFTWARECODEVCUSTOMIMAGEQUALITYEVALUATIONFUNCTIOFLISESTABLISHEDANDTHEXANDYDIRECTIONSONSOMECOLUMNPOINTROOTMEANSQUARERADIUSLL浙江大学硕士学位论文ABSTRACTSIZEVALUESCOULDBEOPTIMIZEDOFFSETPROJECTIONCOULDBEREALIZEDWITHOUTANYINCREASEINTHESIZEOFTHELENSSYSTEMITISBELIEVEDTHATTHEMETHODCANPROVIDEANOVELDESIGNTHOUGHTFORFUTUREOFFSETTYPEPROJECTIONLENSBASEDONTHEPREVIOUSDESIGNMETHOD，ADLPPROJECTORISFABRICATEDANDMEASUREDTHEFINALPARAMETERSOFTHEPROJECTORARELISTEDASFOLLOWSPROJECTIONRESOLUTIONOF1280800WXGA，PROJECTIONDISTANCERANGINGFROM05MTO3M1590INCHESFULLOFFSETSCREEN，ABOVE300LMLIGHTOUTPUTUNDERTHECONDITIONOFLEDPOWER45W,THEUNIFORMITYOF95FINALLY,THETOLERANCEANALYSISANDSTRAYLIGHTPROCESSINGISDISCUSSEDFORTHEDESIGNEDPROJECTOR,WHICHISUSEDTOGUIDEMECHANICALANDTHERMALDESIGNTHESIMULATIONRESULTSCOULDALSOMAKETHEOPTICALDESIGNMOREPRACTICALANDEASIERFORMASSPRODUCTIONKEYWORDSLED，DLP,FLYSEYEINTEGRATOR,PICOPROJECTION,FIEEFORMSURFACEOPTIMIZATIONIII浙江大学硕士学位论文目录目录致谢I摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景1111投影显示发展概述1112现代投影显示方式简介2113LED光源的DLP微型投影市场机遇与挑战312本论文主要研究内容及创新点513论文内容结构安排6第2章DLP投影显示基本原理简介821DMD芯片介绍8211徽反射镜阵列9212像素排布1022数字光处理技术显示原理1123LED光源特点1224投影光路结构14241核心光学元件介绍14242远心结构与非远心结构18第3章DLP投影照明系统设计2131照明原理介绍21311投影显示中的光学参数21312临界照明与柯拉照明24313光学扩展量匹配25浙江大学硕士学位论文目录32复眼匀光照明系统27321复眼匀光照明基本原理一28322理想轴上点光源照明下的复眼照明系统29323实际扩展光源照明下的复眼照明系统3L33基于多曲面斜率角控制的准直系统的设计。34331用于折射曲面优化的斜率角控制法简介34332用于DLP光引擎的LED准直照明系统的多曲面斜率控制法36333基于单曲面斜率角控制法的多片式透镜照明系统设计基本理论3634照明系统方案设计及性能仿真分析45341设计初始参数确定45342准直系统设计51343中继系统设计53344DMD面光束结构分析5335照明系统公差分析55351LED位置公差分析56352中继透镜与TIR棱镜公差分析56353复眼位置公差分析58354照明系统公差补偿58第4章DLP投影成像系统设计6041投影成像系统介绍6042偏置镜头设计62421数码梯形校正63422光学物理校正6443楔形自由曲面镜头实现偏置投影65431楔形自由曲面在CODEV中建模与光线追迹66432楔形自由曲面在CODEV中的优化67433楔形自由曲面偏置镜头优化结果及性能分析69LI浙江大学硕士学位论文目录44偏置成像镜头设计方案及性能分析71441偏置镜头成像光路特点及设计规格要求71442全孔径光束偏置镜头方案设计I724，43孔阑切趾仿真实际光束及系统性能分析7545成像光路公差分析77451投影物镜公差分析77452TIR棱镜空气间隙公差79第5章便携式DLP投影仪整机性能仿真及性能分析一8151整机性能仿真8152整机光通量输出估算8353杂散光分析84531FLAT态消光84532OFF态消光8554便携式DLP投影仪样机制作86第6章总结与展望8861论文总结_8862研究展望88参考文献90在攻读硕士期间发表论文94III浙江大学硕士学位论文第1章绪论11课题背景第1章绪论随着科学技术的发展，人们的生活正日新月异的发生翻天覆地的变化，社会进入了多媒体发展的信息化时代。投影显示作为图像，声音的主要载体，已经取得了很大的进步，越来越多的应用到人们的日常生活各方各面。移动式的数码产品包括手机，平板电脑，数码相机等几乎是人手必备，无处不在，人们利用这些移动的数码产品随时随地的上网交流，分享信息，成为生活不可缺少的必需品。但是作为移动显示设备，显示屏幕无法增加至令移动平台不方便移动的尺度。微型投影显示，作为一种进行大屏幕显示的有效手段，可以在保障移动平台小尺寸、高分辨率的前提下，方便地实现信息共享。随着微型投影显示在移动平台上的应用，移动平台的信患输出能力得到了提升，移动平台的独立计算处理能力也会逐步地增强，越来越多新奇的应用都会在这个移动平台上得到发展。1】111投影显示发展概述投影显示最早起源于两千多年前的中国皮影戏，一百多年前，电影的发明，开创了真正意义上的经典投影显示技术。随后发展而来的幻灯机，CRT投影器逐渐走进人们的日常生活。而到了20世纪中后期，伴随着信息社会的到来，投影显示的发展也逐渐形成高潮。光电子技术，计算机技术等相关领域的发展，带动显示产业的发展，图像信号的显示效果大大提高，显示手段也丰富多彩，并且随着人们要求的不断提高，而更加多元化的迅猛发展。显示产业也成为当今社会的主流产业。CRT投影机的历史可以追溯到上世纪50年代，当时主要应用在商务飞机上，进行录像带的播放。到了80年代，个人电脑的迅速发展，使得文本和数据展示的市场需求越来越大，促使了CRT投影技术的长足发展。投影技术的应用领域开始渗透到会议室、教师和剧院等。80年代中后期，随着计算机工作站和图形处理浙江大学硕士学位论文第1章绪论软件的广泛应用，也就相应地产生了能投影高分辨率图形和动画的图形投影机。1989年第一台LCD投影机面世，结束了投影机市场上只有CRT一种技术的局面。1994年，家用投影市场萌芽，CRT投影机相对于当时的LCD投影机技术更成熟，因此开始进入高端家庭影院。但在1996年3LCD技术推出、第一款DLP投影机横空出世，CRT投影技术便开始走下坡路，并迅速淡出人们的视线。112现代投影显示方式简介微型投影显示方式都是基于投影显示芯片而开发的，目前技术比较成熟主要的显示芯片有TFTOLCD、LCOS、DMD三种。这三种方式各有优缺点，在市场上各有一定的占有率。LCD芯片主要由日本的EPSON，SONY等公司垄断。LCOS芯片由于芯片背板的制备与超大规模集成电路芯片的生产相似性及设计上的类似性，美国，日本，韩国，欧洲，我国台湾和香港地区均能提供，目前生产LCOS芯片的厂商主要有台湾的奇景光电HIMAX，美国的DISPLAYTECH公司等。DMD芯片主要由美国德州仪器公司TI垄断，随着专利的到期，一些硅谷产业也在开始试图制造类似的芯片。214】1121TFTLCD显示TFTOLCD投影显示技术又名透过型液晶投影技术，它采用具有快速反应和高对比度的透过式液晶光阀作为空间光调制器，是三种投影显示技术中起步较早和发展最成熟的技术。液晶是介于液体和固体之间的物质，本身并不发光，但是液晶分子的排列可以在电场的作用下发生变化，TFTLCD投影显示技术正是利用液晶的光电效应，通过电信号控制液晶单元的透光率，以达到准确控制通过液晶单元的光线的目的，从而在屏幕上产生具有不同灰度层次及颜色的图像。1122LCOS显示LCOS显示技术是一种新型的结合半导体与LCD技术的微型显示技术，它的结构如下图21所示在硅片上利用半导体制作驱动面板CMOSLCD，然后在电晶体上利用研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将浙江大学硕士学位论文第1章绪论CMOS基板与含有透明电极的玻璃ITO基板贴合，注入液晶进行封装。由于驱动电路隐藏在金属反射电极的背面，液晶工作在反射状态，所以显示芯片开口率可达90以上，即使增加像素点也不会降低开口率。与TFTLCD显示芯片的光能利用率相比，LCOS显示芯片光能利用率达到40，大大超过了后者，解决了TFTLCD显示芯片构造上高分辨率和高亮度相对立的问题。1123DLP显示技术数字化光处理技术DIGITALLIGHTINGPROCESSING，DLP是美国TI公司研究开发的，1995年底，第一批具有VGA分辨率的单芯片DLP投影机进入销售，1997年开始全面进入消费市场。DMD器件由微镜阵列组成，每个微镜就是一个显示像素。可通过用视频信号来控制这些微反射面，以达到让光线进入投影镜头光路并聚焦到投影屏上形成一个象素，或偏离投影透镜光路，关闭像素的目的。DMD具有分辨率高，信号无需数模转换等优点，但DMD得核心技术和专利权都掌握在TI公司，同时DMD技术的成本相对较高。三种显示芯片的对比如表21所示表11LCD、DLP、LCOS三种显示芯片性能比较LCDDLPLCOS对比度较低最高较高光效率投射，光效率低反射，光效率高反射，光效率中等色彩保真度模拟信号，保真度高数字信号，保真度低模拟信号，保真度高亮度较低高较高体积重量小较大中等分辨率低高低113LED光源的1LP微型投影市场机遇与挑战随着近年来微型投影机技术日趋成熟，微型投影机正式走出了“概念”阶段，逐渐步入商品实用化的阶段，越来越多的掌上型投影机、投影媒体播放器、投影3浙江大学硕士学位论文第1章绪论手机开始面市，越来越多新的微投应用模式也开始显现，让我们看到了随时随地投影的曙光。DLP微型投影机，其实还可以分成两类，一种是内嵌式的集成投影模块俗称口袋型投影机，分辨率一般在VGA及以下，主要应用在手机、数码相机、笔记本等。另一种是微型化的便携式投影机，分辨率一般达到XGA及以上，重量1到2公斤之间，主要配合笔记本电脑，适合在各类小型演示场所使用，如今市场上这两类微型投影机都是大量的涌现，本文主要研究对象是第二种，便携式的微型投影仪。2011年初，德州仪器推出了分辨率高达1280800的微投芯片，让微型投影机进入了高清时代。在高清时代，微型投影机的亮度在不断提升。目前市场上，500流明段高清LED投影机如雨后春笋般层出不穷，500流明级的便携型产品，主要包括了奥图码DH5101，宏基K330、明基GPL0，以及最近新上市的LGPA75C。图11为近两年来市场上典型的500流明LED光源的便携式DLP投影机，其关键规格参数比较如表12所示。56宏蒸K330弱蒸GPL0炱臻码DH5101图11LED光源的便携式DLP投影仪4浙江大学硕士学位论文第1章绪论表12四种典型LED光源的便携式DLP投影仪规格指标宏基1030奥图码DH5101明基GPL0LGPA75C分辨率WXGAWXGAWXGAWXGA128080012808001280X8001280800整机功率120W120W157W130W亮度500流明500流明550流明700流明对比度400013000124001150001均匀性90808085投射比140L14112L141外观尺寸218168X465220X170X41220X1783X618230170X44重量124KG136蚝16KG135KG上市时间2011年8月2011年9月2012年9月2012年11月未来市场的微型投影仪所面临的挑战，主要还是亮度与色彩提升LED发光效率在近年来以每年约1015幅度提升，因此我们可以预见未来即便是徼型投影仪，也将可适用在越来越多场合，而且更加不易受周围环境光的影响。同时因为RGB光源的导入，色彩与对比度将提升到接近传统大型投影仪水平。但功率增大时，LED发热效应明显，在徼型投影仪这么小的体积内要解决其所带来的高热也是一大挑战。而在系统平台上面临的问题，亦要求需要针对颜色与RGB光源进行控制，以便在大量生产时有效控制质量与颜色调校。同时，市场的基本共识是，便携机在200流明以上，主体性能将被市场所接受，市场关注的焦点将逐步转移到价格、附加功能、产品形态等方面。随着网络带宽的增加，越来越多消费者将网络影音下载作为其中的一个娱乐用途，对于微型投影多媒体功能上，一个能支持记忆卡与随身碟，实现无线网络连接，支持各种格式视频信号输出等附加功能的叠加是微型投影显示的大势所趋。12本论文主要研究内容及创新点对于DLP微型投影光引擎系统的设计需要考虑以下几个方面5浙江大学硕士学位论文第L章绪论1照明光斑的均匀性，光效率这是微型投影光引擎照明系统设计的第一个重要指标。一般而言，投影画面的中心区域是使用者的焦点所在，随着投影画面中心位置的偏离，投影画面的重要性逐次下降。因而对于画面的中心区域照度要求往往大于边角区域。但是一个良好设计的照明系统，要求保证客户看到的投影画面从边角到中心的照度是逐步的、难以察觉的变化。本文采用复眼匀光的方式2DMD芯片显示原理要求照明光束为倾斜入射的远心光路，这有别于传统的投影仪设计思路，需要利用棱镜对光路的折射，合理优化中继光路系统系统。3将基于曲面斜率角控制的优化方法用于DLP投影光引擎的LED光源照明系统中的准直镜设计之中。应用曲面斜率角控制优化方法，设计了要求的光斑口径及发散角的准直光束，达到系统光瞳匹配，获得较高的能量利用率。4TIR棱镜是DLP投影光路中特有的元件，合理的棱镜设计，不但要考虑系统折光要求，同时要兼顾对比度及尺寸大小影响。5自由曲面一般应用于投影光路中的照明光路中的光束整形，为了实现更紧凑化的偏置投影镜头的设计，提出在成像光路中应用自由曲面，并采用自定义的评价函数对系统像差评价，对投影镜头进行优化。13论文内容结构安排论文正文部分共分六章，分别讨论以下内容第一章首先通过介绍微型投影显示市场的兴起以及微型投影光引擎元器件制造的成熟，分析了微型投影光引擎研究的现实意义。本章对DLP微型投影光引擎相对于LCD，LCOS等微型投影显示的优势进行了分析，也对先前的基于LED照明的DLP投影光引擎视场前景进行综述。在完成以上叙述的基础之上，介绍了本课题的主要研究内容、主要创新点以及论文的结构安排。第二章主要介绍了DLP投影显示的原理，阐述了微反射镜阵列的组织结构及浙江大学硕士学位论文第1章绪论工作机理，介绍了芯片的像素排布方式以及数字光处理技术的实现方式。然后分析了LED作为微型投影光源的优缺点与市场发展前景。最后分析了投影光引擎中的光学设计的特点，详述了不同合光方式的特点，给出了运用TIR棱镜及RTIR棱镜折光设计的原理和方法，分析了远心光路与非远心光路的特点。第三章主要阐述基于RGB三色LED光源照明的DLP投影系统中照明光路的设计思路及方案，首先介绍了投影照明的原理及基本参数概念，介绍了光路中光学扩展量匹配的原理，然后分别从理想光源以及扩展光源照明条件下，复眼的匀光原理，找出复眼最佳匹配条件时，扩展光源应满足的条件。接下来，本章通过应用斜率角控制法设计了对平板LED光源的准直镜，详细介绍了斜率角优化多个自由齿面的原理及优化流程，得到了很好地优化设计结果。之后，本章分析DLP倾斜照明的条件，分析了扩大DMD芯片照明光束孔径角时，与之匹配的条件，并给出了合理的照明设计方案，最后通过对照明系统进行仿真，检验设计优化方法可行性，并对系统的核心部件的公差进行分析，提出合理的公差补偿方案。第四章主要阐述基于RGB三色LED光源照明的DLP投影系统中成像光路的设计思路及方案，首先介绍了投影成像系统中基本概念及指标，阐述了偏置投影镜头的两种常用手段，并提出了将自有曲面应用于偏置投影镜头中的思路，提出自由曲面的建模思路，并运用CODEV软件，对偏置镜头进行优化，提出自定义的评价函数，并对优化结果进行分析。接下来运用光学物理校正的方法设计与照明光束匹配的成像物镜，并详细分析了物镜的成像性能，并通过光瞳切趾的手法，对异型的孔阑光束进行分析，还原真实的成像光束条件。最后对设计的投影物镜进行公差分析，找出对系统影响比较大的敏感性公差。第五章主要分析整机的光学性能仿真，获得最终投影屏幕面上的照度分布情况，并估算系统整体的能量输出，仿真最终的系统光通量。同时析系统的杂散光处理，使得设计方案更可行，给出样机的三维设计模型及实物图。第六章对本文所做的工作进行了总结，并基于已完成的工作指出本课题需要改进的地方以及今后研究改进的思路，对微型投影光引擎的前景做出了展望。浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介第2章DLP投影显示基本原理简介本章主要介绍DLP投影显示原理。第一节分别介绍了DLP投影显示中的核心元件DMD芯片的工作原理，详细描述了DMD芯片的微反射镜阵列的组织结构以及工作模式，介绍了两种像素排布方式的主要特点；第二节主要阐述了数字化光处理技术实现彩色图像投影的工作方式，第三节详细介绍了LED光源作为微型投影显示光源的优缺点，以及未来的市场机遇与挑战；最后一节主要说明了投影光引擎的光路结构特点，阐述了DLP投影系统中的核心光学元件特点，包括常用的合光器件的工作形式，以及TIR棱镜和RTIR棱镜在DLP投影光路中的工作原理及特点，同时分析了远心光路与非远心光路结构的不同特征。21DMD芯片介绍TIDLP的发展源于1987年，LARRYHOMBECK博士发明了DLP技术。LARRYHOMBECK博士从1977年开始从事运用反射用以控制光线投射的原理研究，并于1987年将DMD研究成功。DMD芯片最早应用在机票印票机中，到了1993年这种以DMD为核心的光学系统才被命名为DLP。最早的DMD芯片使用的是模拟技术驱动，反射面是采用一种柔性材料，在当时被称为“变形镜器件DEFORMABLEMIRRORDEVICE“。10年之后，HOMBECK博士正式以数字控制技术取代模拟技术，开发出了新一代DMD器件，并将名称改为“数码徼镜器件DIGITALMICROMIRRORDEVICE”。1993年DLP投影机开始研发，1996年第一台DLP商用投影机问世，当时推出了第一款重仅为6磅的超便携投影机。1998年TIDLP获得了美国电影艺术与科学学院所颁发的工程发展杰出成就艾美奖，这也是DLP第一次获奖。1999年DLP开始跟好莱坞电影工业区合作。到2004年，DLP已经成为全球第一名的MEMS供应商。61DLP技术是由德州仪器公司TI于八十年代时候率先应用于商品化的一项成像技术；时至今日，由于DLP技术的日渐成熟，现在已经被广泛应用于各个显示领域如背投电视，投影机等。在市场的不断扩大的过程中，DLP技术也在不断发展。努力实现投影技术的超低功耗，超小尺寸，超高的效率以及超高的分辨率。在DMD像素技术方浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介面，DLP技术使用电子集成技术降低驱动功率以适应便携式应用的需求，不断减少微反射镜尺寸，从开始的17微米，减小到76微米，在封装方面，努力缩小封装尺寸，减少封装组件以缩小体积，降低成本。211徼反射镜阵列DMD器件是DLP投影显示的核心器件，是一个独一无二的光学，机械及机电结合器件。DMD结构如图21所示，它是一个双稳态的空间光调制器，包括可移动的微反射镜阵列，过扭臂架铰链，寻址电极，以及基层的CMOSSRAM存储层。寻址电极每个像素点均由一个反射镜构成，通过加电压信号，控制反射镜倾斜角度，微反射镜只有两种工作状态12。ON态或12。OFF态。如图22所示。每个工作状态对光束的反射特性如图23所示，微镜处于ON态时，光束经过反射，投影到屏幕面上，像素显示为亮态，微镜处于OFF态时，反射光束不能进入投影物镜，像素显示为暗态，暗态的光强比较强，需要进行消光处理。FLAT态指的是微反射镜在开关切换过程中，产生的类似于平面反射的光能，以及像素单元之间的间隔对光能的反射，这部分的光强比较弱，但无论是亮态还是暗态，它都存在，在设计时也需要合理的考虑。DMD不加电状态下，微镜处于FLAT态模式。6117臂架寻微反射镜一。一”。一。“镜面层镜寻址电极臂榘和铰链层置复位憩线图21DMD结构组成9锋三珐金鼠珐存储单元层浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介图22DMD工作状态示意图212像素排布图23DMD微反射镜工作原理DMD芯片由许多个方形为反射镜有规律地排列形成，每个微反射镜为一个像素单元。早期的DMD芯片大多采用矩形的横纵排列方式，如图24所示。光束沿像素点的对角线方向入射，这样入射光束与反射光束在与DMD芯片法平面呈45。角的平面内。目前的DMD芯片像素排布则采用对角线的菱形镶嵌排布方式，如图25所示。光束沿DMD芯片边长方向入射，入射光束与出射光束均位于DMD芯片的子午平面内。这样的像素点排布方式，各个元器件的中心在同一1N浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介平面内，系统的在高度方向尺寸更紧凑，光路设计也更简单些。图24DMD芯片矩形像素点排布方式图25DMD芯片对角线菱形像素点排布方式22数字光处理技术显示原理数字化光处理技术指的是先把图像信号经过数字处理，然后再把经过相应调制后的光投影出来，形成原始图像。它是基于德州仪器公司开发的DMD晶片来实现显示数字图像信息的最终环节。DLP技术系统中的核心一一光学引擎心脏LL浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介采用数字微镜元件DMD，它在一个拇指大的芯片上，集成上百万个微镜，在电子开关作用下，微镜在12。位置翻转，图像信号转化为数字二进制数码流，控制微镜的开关状态，同时照射以时序的RGB光，再通过投影物镜，就能在屏幕面上形成彩色化的图像。DLP显示方式采用帧驱动方式，形成图像的明暗变化，RGB三色光源形成照明三基色，利用人眼的视觉暂留效应，形成清晰稳定的图像。图26展示了单片式DLP投影显示的核心部件及显示原理。6123LED光源特点图26单片DLP投影机工作原理用于投影的光源主要有超高压汞灯UHP，LED，激光光源等，激光光源出现于20世纪50年代末，一出现，就被应用于投影显示，近年来，随着激光性能的不断提高，寿命的延长，它已经具备应用于家庭应用的能力。激光光源最大的特色就是单色性非常好，这样显示出来的图像对比度很高，颜色非常鲜艳，成像质量相当好。但是，激光光源技术还不够成熟，成本也比较高，距离产业化应12浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介用还需要一段时间。因此目前主流的投影光源主要为仍是超高压汞灯UHP及LED光源。相较于UHP灯光源，LED作为微型投影的光源主要有以下优点【8【11】色域广单色LED光源光谱较窄，色域非常广，通过RGB三色LED混色得到的白光光源色域可覆盖NTSC色域空间130，能实现高度的色彩重现。色平衡性好通过改变RGBLED的占空比可灵活地调节亮度，不损失动态范围就可以进行投影画面的色温及亮度调整，且对不同场景交换RGB的LED平衡，扩大色域。能量利用率高RGB三色LED依次发光，时序时间序列上的彩色化方式，无需使用色轮滤色，提高了能量利用率，并大大减小投影机尺寸。寿命长LED是半导体发光器件，使用寿命一般在2万小时以上，而传统的UHP灯为气体放电灯，但工作寿命短，只有约1000小时。体积小相较于其他光源，LED体积非常小，节约整机孔间，非常适用于小型化的微型投影设计。绿色环保LED光源不像UHP光源那样辐射紫外光，也不含汞等有毒物质，是安全无害的绿色能源，LED产业得到了各国政府的大力扶植。响应速度快LED光源能瞬阊点亮，无需预热，而传统的UHP灯点亮需要长达几分钟的预热反应过程。功耗低时间序列显示的投影方式下，LED同一时刻只有一种颜色的单色LED发光，功率比较低，散热效果比UHP灯要好。成本低随着技术的不断发展，LED光源不断普及，价格越来越低。其他LED所需电压小，稳定性好，适应性强。LED光源的众多优点，使得它越来越多地应用于投影机，为小型化的投影显示开辟了新的道路，使用户投影更加随身化与自由化，随着技术的发展，显示效果还在不断提升。当然，它也有自身难以克服的缺点。LED光源最大的缺点在于其发光效率低，一般LED的发光效率已经达到2030流明删，这也是目前LED无法取代UHP灯泡光源的原因所在。近年来，高亮度的LED也不断发展，现在已经有发光效率高达的1001MW的LED供应了，离投影机实际要求的光效率差距越来越小，这对微型投影的发展无疑是一大好消息，未来的发展，13浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介LED光源将会微型投影显示中发挥越来越重要的作用。24投影光路结构DLP投影仪光路主要由光源，合光器件，匀光器件及中继系统，DMD芯片以及投影物镜等几大部分组成。按照合光方式分为三路合光，两路合光及单路合光等三种方式，按照匀光方式又可分为方棒照明系统和复眼照明系统。按照入射到芯片上的光束结构特性，又可以分为远心结构和非远心。远心结构中，一般利用TIR棱镜的全反射对照明光束和成像ON态光束进行分离，让系统更加紧凑。常用的TIR棱镜根据全反射面在光路中的位置，又可以分为TIR结构与RTIR结构。本节主要介绍投影光路中常用的合光器件的主要特点及远心光路与非远心光路的结构优缺点。241核心光学元件介绍2411合光器件1三路合光RGB三路合光方式主要采用XCUBE棱镜或是二向色滤色片两种方式，如图27所示。XCUBE合色棱镜由四个直角等腰直角棱镜胶合而成，等腰直角棱镜的直角面上分别镀上对特定波长光反射，其他波段透射的带通滤色膜，满足三路光的合成，光路图。二向色滤色片合光原理与XCUBE原理类似，只是采用的是两片滤色片，分别对不同波长的光束选择性透过，实现RGB三路光的合成。由光路图可以容易发现，三路合光方式结构最为复杂，系统体积较大，但三路光的光程相同，三颗LED单独发光，可以承担较大的功耗，实现更高的光通量输出，适合于对屏幕亮度要求比较高，但尺寸限制不严的大投影仪系统。系统的光能利用率较高。而二向色滤色片合光系统则是体积比较紧凑，但三路光的光程不同，光程较长的光路其光能利用率较低。投影显示中一般绿光所占比重较大，因此一般将绿光LED排放在光程较短，光效较高的位置，而红光LED由于温度较高时光能衰减很严重，红光LED的排布需考虑其散热的便利性。14浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介图一_L囔释1，R瞄馥嚣誉蔓T雪图27三路合光光路结构图2两路合光两路合光的光路如图28A所示12，考虑到绿光所占比重较大，一般将红光和蓝光LED封装在同一块基板上。由于R和B两个发光芯片都偏离了准直镜光轴位置，准直后的光束主光线与光轴有一定的夹角，可采用两片二向色滤光片与光轴呈不同的夹角来矫正准直的光束角度，以达到三路光以同样的角度入射到后续的光学系统中。两路合光的方式相较于三路合光，结构更紧凑，同时发光芯片也能获得不错的光能输出，性能介于三路合光和单路合光方式之间，适合中等功耗的投影仪系统。一一。隧豁隧隧。FL浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介霆B图图28A两路合光光路结构图；A单路合光光路结构图；3单路合光单路合光主要是将RGB三颗发光芯片封装在同一块基板上，光路结构如图28B所示。这样的结构非常简单，体积也很紧凑，但缺点在于发光芯片偏离光轴位置，光源的光学扩展量增大，系统光效比较低，同时三色芯片封装在同一块基板上，散热难度很大，所能承担的功耗比较低，输出亮度很难提高，比较适合对紧凑性要求较高的微型投影仪系统。2412TIR棱镜TIR棱镜是DLP投影仪中特有的元件。倾斜照射到DMD显示芯片上的入射光束，与经DMD微反射镜反射后的ON态光束通过到棱镜的全反射面时，由于入射角度不同，利用全反射的原理，将两束光分离。按照全反射发生的条件，可分为TIR棱镜入射光束全反射，而ON态光束透射，如图29A所示；及RTIR棱镜入射光束透射，而ON态光束反射，如图29B所示。1叫JRL鬣默R浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介图29ATIR棱镜光路；BRTIR棱镜光路TIR棱镜通常结构有TIR结构和RTIR结构两种，两种棱镜的工作原理相同，利用全反射原理对光束的角度进行选择，在全反射面上，大于全反射角入射光束的光束全部反射，而入射角小于全反射角的则全部透射。不同之处在于TIR结构的系统，全反射发生在照明光路，而RTIR结构，全反射发生在成像光路。两种结构各有优缺点，对于TIR结构，光束在照明光路中光程较长，而RTIR结构则刚好相反。在结构尺寸上，TIR结构稍大于RTIR结构，同时两个棱镜之间存在一定的空气间隙，TIR结构中，这个空气间隙存在于成像光路中，会产生一定的额外像差。T图210全反射原理由图可知，对于TIR棱镜光线追迹可知，光线进入TIR棱镜后，棱镜的斜面上发生全反射，根据全反射原理，则有17浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介SINFSINI一121以为棱镜的折射率。对于光线全反射后经棱镜下表面折射，出射光线入射到DMD面的角度为坳，根据界面上的折射定律，则有SIN臼L一一SINEDMDN同时，由三角形棱镜的数学几何关系可知对于TIR棱镜结构对于RTIR结构0F一口乡口一F222324联立式21A24即可求解TIR棱镜参数，无论TIR结构或RTIR结构，棱镜材料折射率，Z，棱镜角度口与全反射临界光线入射到DMD芯片上的角度9凸彻三者之间已知其中两项参数，可以求解另外一项。1314】对于TIR棱镜，假定铭岣12。垂直DMD心14片ON态模式下反射镜面入射，棱镜材料假定为常用的K9玻璃折射率1517，则全反射角ZARCS；N赤4，曰ARCSM查竽ARCSM筹7SO，因此三角棱镜的角度口F一04130一780335。RTIR结构求解与TIR结构类似，不同的是，RTIR中，口450。同样假定铭坳12。，则目78。，全反射临界角IATG45。78。372。，棱镜材料折射率为胛2壶2赤21笳4。242远心结构与非远心结构浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介钔远心结构远心结构如图211所示，远心结构指的是系统的出瞳位于距离DMD芯片无穷远处，各视场的主光线平行入射到DMD反射镜上。对于远心结构的照明系统，由于每个视场的的光束具有相同的入射角，因此，无论是亮态还是暗态，芯片面上都具有较好的照射均匀性。远心结构通常使用一个TIR棱镜来分离照明光束与成像光束，由于每个视场的光束角度分布相同，也可以避免TIR棱镜的AR膜由于入射角度不同而造成的透过率差异。另外，采用远心结构，系统容差更大，照明系统与成像系统出瞳或入瞳均位于无穷远，可以分开设计，同一个照明系统也可适用于不同的成像系统。反射键11R梭毓图211传统远心光路结构B非远心结构非远心结构如图212所示。相比较远心结构而言，非远心结构尺寸更紧凑，但非远心结构由于主光线不平行，为了将照明光束与成像光束分开，照明光束需要以更大入射角入射到DMD芯片上，对透光面的镀膜性能要求更高。同时，照明光路的孔阑需与成像光路孔阑在有限远处匹配，设计难度也更大些。15】19浙江大学硕士学位论文第2章DLP投影显示基本原理简介图212非远心结构20浙江大学硕士学位论文第3章DLP授影照明系统设计第3章DLP投影照明系统设计照明系统是投影仪系统中至关重要的一部分，它决定整个系统的能量利用率，投影均匀性以及体积，成本等各方面性能。DLP投影照明系统设计主要难点包含准直系统，合光系统，匀光系统及倾斜照明的实现等。本章的目的在于设计一款基于RGB三色LED的便携式DLP投影光引擎照明方案。便携式DLP投影仪一般用于商务会议展示及家庭影院式投影，对投影机的光通量，亮度均匀性要求较高。本章第一节首先介绍了投影显示中的常用光学参数，以及光学扩展量匹配的原理在照明设计中的运用。第二节中主要从理想光源与扩展光源两方面推导了复眼匀光照明系统中的基本原理及设计要求。第三节主要阐述运用多个曲面斜率控制角的方法，设计一款结构紧凑，效率高的准直系统，很好实现对平板LED光束整形，获得满足后续系统角度同最大集光效率要求的准直光束；第四节详细描述了DLP照明系统设计方案与性能仿真分析；最后，第五节中详细地分析了照明系统中核心元件的偏差对目标照射面的光能利用率及照度均匀性影响，提出了公差补偿的合理方法。31照明原理介绍311投影显示中的光学参数A光通量定义通过一定面积的相对于人眼的总辐射功率，即K允尸五如P旯31光通量单位为流明IRA，其中K旯为光功效率，P2为视见函数也即光源色坐标中的光谱三刺激值中的Y2曲线。在投影显示中，光通量是衡量投影显示系统光输出能量的参数。在标注光通量时，我们经常用到的单位为ANSI流明，这是根据ANSI美国国家标准局所21浙江大学硕士学位论文第3章DLP投影照明系统设计定义的测试方法测得的投影系统的光通量，其测试方法为投影一幅白色图像，如图31所示，通过测量屏幕面9个点的照度值，取平均值后乘以显示图像的面