（光学专业论文）投影显示系统光学引擎研究.pdf

摘要 摘要 基于空间光调制器的投影显示技术具有高亮度、高分辨率、数字化等优点， 近几年得到了飞速发展，具有非常诱人的市场前景。随着数字电视和高清晰电视 ( h d t v ) 标准的确立以及d m d 和l c o s 等空间光调制器技术的成熟，投影显示技术具 有更加广泛的应用前景。投影显示系统的光学引擎，是系统的主要组成部分，并 且直接影u 向到系统的最终性能，因此实现光学引擎的光学总体设计是这一系统的 关键。 本文分析和研究的出发点是大屏幕投影显示的应用研究，主要工作集中于照 明系统的设计和光学引擎的建模分析，通过仿真模拟和优化设计来实现和改进系 统。 针对光学引擎的特点，运用非成像光学理论方法进行了系统分析，借助于非 成像光学中光学扩展量( e t e n d u e 量) 作为光通量的描述，采用光学扩展量表征系 统的光能利用率，分析了系统光学扩展量的变化与光能利用率的关系。在深入分 析设计原理的基础上，使用z e m a x 、l i g h t t o o l s 等软件实现了结构紧凑、高光能 利用率、高均匀性的偏心的蝇眼透镜阵列设计，在0 9 英寸t f t l c d 面板的投影 仪上已经被商业应用，达到了厂家的技术指标要求。同时设计了基于嗍d 照明的 具有倾斜透镜单元的方棒照明系统。分析了光线经方棒和复眼透镜后的光学扩展 量的变化，从而为系统参数设计提供了有益的分析和指导。 在照明系统设计中提出了反光碗的改进设计，提出了半椭球型、椭球双曲二 次成像型、双抛型和双轴双抛型照明模型。仿真结果表明，系统实现了高e t e n d u e 效率的照明，在0 5 0 7 英寸s l m 的投影显示中有潜在的应用价值。 对分色合色分系统和投影镜头分系统设计进行了初步研究，结合二向色滤光 片分色合色系统，利用l i g h t t o o l s 软件的照明模块实现了投影显示系统的颜色 特性分析。对s c r 色轮分色合色系统从结构、膜系、光能利用率和e t e n d u e 量几 个方面进行了研究，并提出了改进设计。结合反远距型物镜光学设计基本理论， 及大视场光学系统像面照度理论，对光学引擎中的投影镜头设计进行了研究，实 现了投影镜头的设计，满足了光学引擎的总体指标要求。 最终实现了光学引擎的计算机仿真设计、建模及评价，并给出了三种光学引 擎方案的整体建模和性能分析，提出了投影显示整体建模仿真的研究思路。设计 了t f t l c d 投影显示系统，计算机模拟仿真与实验结果基本相同，达到了厂家的 指标要求。同时完成了l c o s 及d m d 的光学引擎方案设计，掌握了光学引擎设计 的理论基础及关键技术问题的解决方法。 关键词：投影显示；空间光调制器：光学引擎：光学扩展量；照明系统 投影显示系统光学引擎研究 a b s t r a c t p r o j e c t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g y b a s e do n s p a c el i g h t m o d u l a t o rh a s m a n y a d v a n t a g e ss u c h a sh i g hb r i g h t n e s s ，h i g hr e s o l u t i o n ，a n di sg o i n gd i g i t a lt h i sm a k e si t a v e r y a t t r a c t i v em a r k e tt r e n d w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to f d i g i t a l t va n d h i g h - d e f i n i t i o nt v ss t a n d a r d ，a l s ot h ed e v e l o p m e n to fd m d a n dl c o s ，p r o j e c t i o n d i s p l a yt e c h n o l o g yh a sw i d ep o t e n t i a lu s e ，t h eo p t i c a le n g i n eo fp r o j e c t i o nd i s p l a y s y s t e m m a i np a r to f t h ew h o l es y s t e mw i l lh a v eh e a v ye f f e c t so nf i n a lp e r f o r m a n c e s s oi ti sk e yt od e s i g nt h eo p t i c a le n g i n e t h i sd i s s e r t a t i o nd i dr e s e a r c ho nl a r g es c r e e np r o j e c t i o nd i s p l a y w o r k sw e r e m a i n l ya b o u td e s i g no fi l l u m i n a t i o ns y s t e ma n dm o d e le m u l a t i o no fo p t i c a le n g i n e i m p r o v e m e n t so nw h o l es y s t e mw e r em a d eb yc o m p u t e re m u l a t i o na n do p t i m i z e d d e s i g n e t e n d u ev a l u ei sa ni m p o r t a n td e f i n i t i o ni nn o n - i m a g i n go p t i c s i tw a su s e dt o i l l u s t r a t el u m i n o u sf l u xa n d o p t i c a le f f i c i e n c y a tl a s t ，r e l a t i o n b e t w e e n o p t i c a l e f f i c i e n c y a n de t e n d u ev a l u ei s a n a l y z e z e m a xa n dl i 曲t t o o l s a r eu s e di nt h e d e s i g n o ff l y - e y el e n s a r r a y i l l u m i n a t i o n s y s t e m ，w h i c h h a s m a n ya d v a n t a g e s i n c l u d i n gc o m p a c tv o l u m e ，h i g he f f i c i e n c ya n du n i f o r m i t y n o w i th a sb e e n a p p l i e di n c o m m e r c i a l0 9i n c ht f t - l c dp a n e lp r o j e c t o r i n t e g r a t o rr o di l l u m i n a t i o ns y s t e m d e s i g n e d w i t ht i l t e dl e n se l e m e n t sw a su s e dt od m di l l u m i n a t i o n c h a n g e so f e t e n d u ev a l u eb e f o r ea n da f t e r l i g h t w e n tt h r o u g ht h ei l l u m i n a t i o n s y s t e mw a s a n a l y z e da n di tw o u l d d i r e c tt h ed e s i g no f s y s t e m p a r a m e t e r s ， b a s e do nt h e p r o t o t y p e o fs t a n d a r d e l l i p s ei n t e g r a t o r r o di l l u m i n a t o r , h a l f e l l i p t i c a l ，e l l i p t i c a lh y p e r b o l i c ，d u a l p a r a b o l i ca n dd u a l a x i sd u a l - p a r a b o l i cr e f l e c t o r w e r e d e s i g n e d t h ee m u l a t i o n sd i s p l a y e dh i 曲e t e n d u ee f f i c i e n c ya n dp r o v e d t h a tt h e f o u rd e s i g n sh a v e p o t e n t i a lv a l u e si n0 5 0 7i n c hs l mp r o j e e td i s p l a y , d i v i d i n g c o l o r sa n dr e c o m b i n i n gc o l o r ss y s t e mw i t hd i e h r o i cf i l t e r s y s t e m f u l f i l l e dt h ea n a l y s i so fc o l o rb a l a n c eb yl i g h t t o o l ，t h es t r u c t u r e ，c o a t i n g ，e n e r g y e f f i c i e n c y , e t e n d u e o fs c rc o l o rw h e e ls y s t e mw a sa n a l y z e da n di m p r o v e m e n t s i i 摘要 t o w a r dt h e mw e r em a d e b yt h e o r yo f a n t i t e l e p h o t oa n dw i d ef i e l do p t i c a ls y s t e m s i l l u m i n a n c ed i s t r i b u t i o n ，p r o j e c t i o nl e n sw a sd e v i s e dt of u l f i l lt h ed e m a u do f o p t i c a l e n g i n e e m u l a t i o n ，m o d e l i n ga n de v a l u a t i o no fo p t i c a le n g i n ew e r er e a l i z e da n dt h r e e t y p e s o fi tw e r eg i v e no u t i n c l u d i n gw h o l es y s t e mm o d e l i n ga n dc a p a b i l i t y t h e c o m p u t e r e m u l a t i o no ft f t - l c d p r o j e c td i s p l a ys y s t e m w a sa c c o r d a n tw i t h e x p e r i m e n t a ld a t aa n d w h o l es y s t e mm e tu s e r sd e m a n d s d u r i n gt h ea c c o m p l i s h m e n t o fo p t i c a le n g i n ed e s i g no fl c o sa n dd m d ，i t st h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e sw e r e m a s t e r e d k e y w o r d s ：p r o j e c t i o nd i s p l a y , s p a c el i g h tm o d u l a t o r , o p t i c a le n g i n e ，e t e n d u e v a l u e ，i l l u m i n a t i o ns y s t e m i i i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 现代科学技术尤其是信息技术的飞速发展，驱动着传统的工业经济向现代信 息经济转变。信息产业已经成为世界经济的先导，是世界经济发展的主流也代表 着新世纪的发展方向。信息技术的飞速发展和信息社会的到来为显示技术的发展 提供了契机，显示作为信息的终端和窗口，在商务、科研、教育、娱乐及家庭生 活中起着日益重要的作用。 国际上般将显示技术分为直接显示与投影显示两大类。直接显示主要有： 阴极射线管( c r t ) 、液晶平板显示 1 0 0 0 ：1 开口率 9 3 响应时间 r i s ep l u sf a l l e t 投影显示系统光学引擎研究 图2 6 光束的e t e n d u e 量永远增加 1 7 n 当然，镜头系统存在着无法避免的几何像差。在这种意义上，在公差范围 内，理想成像系统是可能的。在实际系统中，可以应用理想系统中的e t e n d u e 量守恒来帮助计算各个参数，设：物大小：3 0 4 0 ，发散角5 0像大小：1 5 x 2 0 ( 图2 7 ) ，则满足：e 。= 4 3 0 x 4 0 s i n 2 5 0 = 3 6 4 6 1 ，e 2 = 4 x 1 5 2 0 xs i n 2o ， 从而：出射发散角约为l o 。 图2 7 理想系统中的e t e n d u e 量守恒 下面介绍e t e n d u e 量受限系统与不受限系统的概念。e t e n d u e 量不受限系 统：当系统中所有器件的e 。# e 时，称为e t e n d u e 量不受限系统。这种系统 的效率可以为目。f 1 。e t e n d u e 量受限系统：当系统中有一个器件的em l s o b a r ) 的情况下安全工作，因此对超高压水银灯缺乏信赖而未 采用，1 9 9 5 年以后随着制造工艺的提高而得到迅速发展。发光光谱如图3 1 所 示。 图3 1 典型的超高压水银灯的发光光谱 【-罄)誊c琶一 第三章投影显示照明系统的设计实例 与金属卤化物灯和氙灯对比，超高压水银灯更适合作为投影用光源，主要有 以下四个原因： l ，在增大气压、增加电压、保证效率不变的情况下，可减短弧长。现在已 经有0 7 m m 弧长的光源产品实现商业生产。 2 光集中于弧的中心，而且光效率高。 3 随着使用时阎的增加，u h p 灯的亮度稳定性比较好。 随着s l m 尺寸的减小，对光源的弧长要求也越来越苛刻。以d m d 为例，f 经 历着0 9 - 0 7 - o 5 5 一 o 5 英寸的发展，为了保证系统的光效率，要求光源的弧 长必须进一步减小1 3 一 1 o 一 o 7 ，这是现在光源发展的趋势。由于投影机市场 的成熟，及大屏幕投影显示市场的启动，也带动光源厂家加大了在投影用光源上 的研发力度，其中以p h i l i p 公司的u h p 灯和o s r a m 公司的p - v i p 光源为代表， 并占据了市场的主要份额。 鞴t 柏e 慵椭( n 图3 2p - v i p 灯与金属卤化物灯的稳定性试验结果图 3 1 2 基于实际光源的体光源模型 由于短弧灯的弧长、尺寸、发光分布等参数较多，对其进行确切的公式表达 较困难，而且光源在使用过程中，随着使用时间的推移，发光特性等也会发生变 化。因此，光源的建模和数值分析极其复杂。传统的建模方法是将光源理想化成 均匀的、半径为r 的朗伯光源，在士曲。的范围内发光强度为l o ，以外的范围 发光强度为0 。光通量等于对所有入射角范围内的光进行积分。这种方法将复杂 的光源建模进行了简化，能够近似给出照明的函数表达式。 坶鲫祁曲m 0 _，8n鼍鼍 投影显示系统光学引擎研究 扣口匝硒 一r一 ；n ，川r 、z1 2 l fz 。k k 图3 3 短弧灯的体光源模型 但是，在用l i g h t t o o l s 软件照明模块进行照明分析时发现，光强的空间分 布和角度分布与朗伯光源有很大差别，为了较精确地模拟出真实的照明效果，本 文建立了一种更精确的光源模型。以超高压水银灯为例，1 0 0 - 1 3 0 w 的超高压水 银灯的弧长约为1 2 m m 。用l i g h t t o o l s 将其建模，设光源的灯弧长度1 2 m m ，功 率为1 2 0 w ，总光能输出为7 4 0 0 1 m 。超高压水银灯发光角分布和发光光谱分布参 数如图3 4 所示。 图3 4 超高压水银灯实例和发光角分布 以超高压水银灯为原型，建立了嵌套圆筒的体光源模型，充分考虑了光源的 弧长、发光强度的空间位置分布、空间方向分布和发光的光谱分布等实际闯题， 分别以权重的形式附加给每个嵌套形圆筒。在光源建模时，用一组嵌套的圆柱体 光源实现实际光源的空间位置分布，每个分光源外形尺寸分别和实际光源辐射等 值线上，其中2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 的光源数据如表3 1 ，这样一组嵌套的 圆柱体光源就能近似模拟出实际光源发光的空间位置分布，光源模型如图3 5 所 不。 表3 1 各个圆柱体光源的数据 第三章投影显示照明系统的设计实例 2 01 2 0 1 5 17 31 7 4 01 2 0 0 8 2 2 1 6 5 6 00 4 20 0 3 9l7 3 8 0o 2 50 0 3 40 7 4 1 0 0o 1 80 0 2 2o 2 3 图3 5 嵌套设计的圆柱体光源模型 光谱分布以权重的形式加于每一个圆柱光源，光源的空间角度分布可利用 l i g h t t o o l s 软件的a p o d i z e r 功能模拟实现。如图3 6 所示： 诲交叠矗幽撕 奄，* 图3 6u h p 光源发光的空间角度分布曲线及采样点 在精确参数的基础上，利用l i g h t t o o l s 软件的照明分析模块对建模的光源进 行分析。并通过结果对比，实现光源的精确仿真。图3 7 是软件输出的光源发光 位置分布，结合光源厂家提供的参数，可对建模效果进行检验。 ，一 _ 投影显示系统光学引擎研究 图3 7 软件建模的实际光源输出的光强分布图 3 2 蝇眼透镜阵列照明系统 3 2 1 蝇眼透镜阵列照明系统设计原理 蝇眼透镜又称为复眼透镜或积分透镜，它由一系列相同的小透镜拼合而成。 在本投影显示系统中，我们采用了双排透镜阵列获得高光能利用率和高均匀性的 照明，从而提高系统的整体光学性能。系统工作原理如图3 8 所示。 图3 8 蝇眼透镜阵列照明系统原理图 系统采用双排蝇眼透镜阵列。每排蝇眼透镜阵列由系列相同的小透镜组 成。超高压水银灯置于反射聚光镜的焦点上，灯弧沿轴放置，由灯弧发出的光经 抛物面反射聚光镜后近似于平行的投射于第一组蝇眼透镜上，两组蝇眼透镜的间 隔等于第一组透镜中透镜元的焦距，灯弧通过第一排蝇眼透镜的每个小透镜成像 到第二组蝇眼透镜上，在第二组透镜阵列上源形成多个灯弧像，后面的聚光透镜 将多个灯弧像光束叠加后均匀地照明液晶板。由于整个宽光束被分为多个细光束 照明，而每个细光束的均匀性必然大于整个宽光束范围内的均匀性，又因为对称 位置细光束的相互叠加，使细光束的细微不均匀性又能获得迸一步的补偿，因而 第三章 投影显示照明系统的设计实例 采用双排蝇眼透镜阵列可使整个孔径内的光能更均匀更有效地利用。 液晶投影显示系统中透镜阵列的设计是一个较为复杂的过程，设计参数较 多，而且其中既要考虑光源的参数特性又要考虑与照明系统匹配的投影物镜的参 数，蝇h 艮透镜阵列照明系统的设计步骤如下： 由于旋转抛物面反射镜使光源产生发散角0 o 0 = 留。去 ( d ：光源的弧长f ：反射聚光镜焦距)( 1 ) 斗， 这个从光源产生的发散角由第一透镜组成像到第二透镜组的位置，第二透镜 组各透镜的大小为 ，。 b = 2 t g o x = 等( 一：第一透镜组各透镜焦距) ( 2 ) 2 j 第二透镜组各透镜的最小尺寸是b ，因为从反射聚光镜出射的是近似平行光， 所以应使第一透镜组各透镜的尺寸与第二透镜组各透镜的尺寸相同。 一：盟 2 ， ( 3 ) 第一透镜组的每个透镜都应通过第二透镜组成像到l c 上，因此l c 和第一透 镜组的每个透镜之间有一个比例关系。第二透镜组到l c d 问的距离： l ：2 w _ f ( w ”： 液晶板的尺寸) ( 4 ) 矗 给定反射聚光镜参数( 焦距和孔径) 、光源弧长、液晶面板尺寸后，就可根 据公式( 1 ) 至( 4 ) ，设计出照明系统。但同时应考虑以下四个问题： 1 ) 全直径：为充分币i 用光能，透镜阵列的全直径应具有一定的大小。其大小 主要由灯源的发光面尺寸及照明系统的孔径角决定。 2 ) 小透镜个数：为充分发挥透镜阵列的作用，应选择适当的小透镜数目n 。 透镜个数太少，失去了利用小透镜将宽光束分裂为细光束的作用。个数增加能改 善高斯光束的照明均匀性，但个数太多增加了加工的成本和难度，又由于照明系 统像差的影响，并不能使照明均匀性获得更进一步的提高。因而应当根据光源的 发光特性及照明均匀性的要求来确定小透镜的数目。 3 ) 小透镜焦距及口径：小透镜的口径应满足使整个物面获得照明，因而物面 尺寸的要求也就确定了小透镜的相对孑l 径。根据小透镜的相对孑l 径及口径可以确 定其焦距。 2 9 投影显示系统光学引擎研究 4 ) 透镜阵列的排列：蝇眼透镜阵列照明系统不但提供液晶板的均匀照明功 能，而且还要实现将光源的圆光斑输出转化为矩形光斑照明的作用。因而小透镜 的长宽比要与液晶板的长宽比例相同：4 ：3 或1 6 ：9 。同时透镜阵列的排列方式 应从三方面考虑：能量利用率、照明均匀性及液晶板的形状。设计实例的透镜阵 歹0 刳 列如下图： 目 图3 9 蝇眼透镜阵列排列 3 22 蝇眼透镜阵列照明系统设计实例 用z e m a x 软件对系统进行了计算机辅助光学设计和优化o “，透镜阵列照明 系统的设计过程如下：设光源弧长1 2 r a m ，光调制器0 9 英寸，投影镜头f # = 2 ， 由光源的弧长和反光镜焦距确定旋转抛物面反光镜产生的发散角口，透镜阵列的 口径大小主要由光源的发光面尺寸及照明系统的发散角确定。光源由第一透镜组 成像到第二透镜组，第二透镜组各透镜的最小尺寸由第一透镜组各透镜焦距以及 光源发散角口确定。从反光镜出射的是近似平行光，所以第一透镜组各透镜的尺 寸与第二透镜组各透镜的尺寸相同。第一透镜组的每个透镜都应通过第二透镜组 成像到s l m ( i m a g e r ) _ k ，因此s l m 和第一透镜组的每个透镜之间有一个比例关 系。第二透镜组到s l m 间的距离由s l m 的尺寸确定。为充分发挥透镜阵列的作 用，应选择适当的透镜组数目。透镜组个数太少，失去了利用透镜组将宽光束分 割为细光柬的均匀化作用。但由于照明系统像差的影响，个数太多并不能使照明 均匀性获得更进一步的提高，还增加了加工的成本和难度。 蝇眼透镜阵列设计参数： 液晶板尺寸： 1 5 6 8 m m 1 1 7 6 m m 。 蝇眼透镜阵列透镜元尺寸： g m m 1 2 m m 。 第三章 投影显示照明系统的设计实例 旋转抛物面反射聚光镜： r = 2 4 m mk ：一1 。 设计实例的计算机模拟如下图： 图3 1 0l i g h t t o o l s 软件的照明分析模型 利用l i g h t t o o l s 软件照明模块建模和仿真，通过计算1 0 0 ，0 0 0 条光线在模 拟s l m 上得n t 优化的设计结果。由美国国家标准化组织( a n s i ) 均匀性计算方 法( t h i r t e e np o i n t s ) 得到在液晶光阀上的1 3 点数据。结果显示，光调制器上的 光分布可实现a n s i 均匀性( t h i r t e e np o i n t s ) + 4 。5 5 ，一5 5 4 ，光能利用率为 8 1 的照明输出，能够满足投影显示对照明系统的指标要求。 3 2 3 改进的蝇眼透镜阵列照明系统 常规的蝇眼透镜阵列照明系统采用相同尺寸的两组蝇眼阵列，这样设计加工 上都容易一些，例如可以将前后两组设计成完全相同( 包括材料、曲率及尺寸) ， 能够降低加工成本。随着使用要求的提高，特别是更小尺寸( 例如0 5 i n c h ) 的 光调制器件的出现，使得对照明系统的要求越来越高，随着蝇跟透镜阵列加工技 术的成熟和光学设计软件功能的强大，提出了偏心设计设计方案，通过偏心的透 镜阵列设计能够实现结构紧凑而又均匀高效的照明系统。 1 设计过程及思路 具体的过程如下，偏心的透镜阵列设计为使结构更紧凑，将第一组透镜阵列 的前面设计成有正光焦度的球面，球面的曲率由两组透镜阵列的间隔和p b s 阵列 的尺寸和光源发光的发散角决定，这样在相同条件下可减小第组到第二组间的 间隔。确定第组透镜阵列前面的曲率后，根据上面提到的蝇眼透镜设计思虑， 投影显示系统光学引擎研究 计算没有偏心时的单个单元透镜的高斯光学。确定单元透镜的曲率、间隔、尺寸 和排列结构；对应p b s 阵列的尺寸和排列方式及金属挡板的参数；确定会聚透镜 和场镜的曲率、厚度、空气间隔、材料和口径等参数，满足照明系统的尺寸、相 对孔径和远心照明要求。设计如图3 1 l 所示。 i 孵 渣一竺黑黪瓣“燃鲎誊 套絮进链 。；。渺* k 囊翼篡 f 磊磊一砖勰辩。一 图3 1 1 透镜阵列中某一行的设计输出图 根据透镜阵列的象限对称性，只需对透镜阵列第一象限的透镜单元进行分析 即可。例如本设计实例中，两组蝇眼透镜阵列都是由4 8 个单元透镜，按6 8 排 列的，每个单元透镜都是尺寸相同的边长比例为4 ：3 的矩形透镜，因此设计过 程中只需分析3 4 的透镜阵列数据。如图3 1 2 所示。对于投影阵列的设计，如 果是每个单元都完全相同而且不存在偏心或倾斜，可通过光学设计软件z e m a x 软 件的s u r f a c et y p e 中的u s e rd e f i n e d 类型调用e v e n a r r a y d l l 动态连接功能实 现，而对于每个单元具有不同光学参数的系统则通过z e m a x 的多重配置 ( m u l t i - c o n f i g u r a t i o n ) 功能实现，将图3 1 2 中透镜阵列按行分成三组，每组 中四个透镜单元作为一个四重配置的透镜系统进行分析。将3 x 4 阵列的透镜数 据分解成三个具有四重配置的透镜系统。 第三章投影显示照明系统的设计实例 y 厂一1 i i!ld y i ( x ，y ! l l 川 i 一 d 刊 x 图3 1 2 第一象限透镜排列和偏心的坐标表示 在照明系统高斯光学设计完成后，光学参数就不再做大的改变，只进行透镜 偏离量的设计。高斯光学设计满足光源发出的光通过第一组透镜阵列成像到第二 组阵列上，且一一对应。按3 1 2 坐标所示，第一组透镜阵列的y 轴向上的偏心 量d y 由p b s 阵列的金属挡板决定，如图3 1 3 所示，通过调整第一组透镜阵列的 偏心量，实现每行单元透镜的近轴光线通过对应p b s 的中心及金属挡板的对应透 光部分的中心。这样就既实现了偏振光照明，又保证了e t e n d u e 量基本保持不变， 而且，利于结构的紧凑和装置的便携。由于p b s 阵列和金属挡板是条状，在x 轴 方向上没有特定的成像要求，所以第一组透镜阵列的x 轴方向上的偏移量d x 全 部为0 。第一组透镜阵列的光学建模如图3 1 4 。 一 _ 一 li 一 _ _ 图3 1 3p b s 阵列和金属挡板排列示意 投影显示系统光学引擎研究 图3 1 4l i g h t t o o l s 输出的第一组透镜阵列 在第一组透镜阵列偏心量设计完成时，考虑第二组蝇眼透镜的偏心设计。这 时保持第一组偏心量数据不变，通过z e m a x 软件的m e r i tf u n c t i o n 模块，计算 光源发出的光在照明面处的弥散情况，实际设计过程中，每个四重配置的透镜系 统，对应的矩形物面的四个角上的点( 或者对应四个边缘的视场角) 分别通过孔 径光阑的四个角的光线在像面位置或模拟的s l m 位置的x ，y 坐标，即4 x 4 2 条 光线a 对于四重配置，则有4 ( 4 4 2 ) = 1 2 8 个坐标值，对应相互重叠的1 6 个矩形。当保证1 6 个矩形都在对应尺寸的$ l m 的矩形外时，就能够保证照明系 统的均匀性，在本例中s l m 的尺寸是0 9 英寸，对应矩形的长宽为1 8 ，2 8 8 1 3 7 1 6 ，图3 1 5 即为模拟的输出图。在这里通过这种巧妙的转换，将非成像光 学的照明均匀性问题转化成了成像系统的光线成像尺寸问题，利用了光学设计软 件强大的光线追迹和系统优化功能，然后再通过照明分析软件l i g h t t o o l s 的模 拟分析来验证系统的照明均匀性，并给出定量的指标。完成照明系统的分析设计。 我们采用一种偏心的透镜阵列照明系统设计。设计结果( 两组6 * 8 透镜阵列) 如图3 1 4 和3 1 6 所示 ： i t n 耐 ff f 图3 1 5 对应第二行的单元透镜在像面上的成像 3 4 第三章投影显示照明系统的设计实例 图3 1 6l i g h t t o o l s 建模的第二组透镜阵列 2 照明系统设计结果 照明系统透镜设计数据如表3 2 表3 2 照明系统透镜设计数据 r a d i u s t h i e k n e s sg l a s s 0 b j i n f i n i t yi n f i n i t y a i r 11 7 4 55 9b 2 7 0 光阚 i n f i n i t y l b 2 7 0 33 65 2a i r 42 7 53 4b 2 7 0 5 i n f i n i t y 0 7a i r 6 i r d i n i t y 4 b k 7 7 i n f i n i t y oa i r 8 i n f i n i t y 1 8a 打 91 0 4 69b k 7 l o- 2 ，91 1 9 8 la i r 1 7 7 1 ， 3 b k 7 1 8 i n f i n i t y 1 5a j r 1 9 i n f i n i t y o 7b k 7 2 0 i n f i n i t y 0 1 5a i r 2 l i n f i n i t y 1 2b k 7 2 2 i n f i n i t y 1 2 2a r i m a i n f m i t y oa i r 投影显示系统光学引擎研究 蝇眼透镜偏心量的数据如表3 3 和表3 4 。 表3 3 第一组蝇眼透镜数据 第一列第二列第三列 几何中心偏离量几何中心偏离量几恒中心偏离量 xyd x d y xyd x d y xyd x d y 第一行 3 24 1 501 2 93 21 2 4 5o0 0 73 22 0 7 5 0 1 4 1 第二行9 64 1 50- 1 2 99 ，61 2 4 5o0 0 79 62 0 7 501 4 1 第三行1 64 1 50- 1 2 91 61 2 4 500 0 71 62 0 7 501 4 1 第四行2 2 44 1 5o i 2 92 2 4 1 2 4 500 0 72 2 42 0 7 501 4 1 表3 4 第二组蝇眼透镜数据 第一列第二列第三列 几何中心偏离量几何中心偏离量几何中心偏离量 xy d x d y x yd x d y xy d x d y 第一行2 73 50 4 3 40 5 9 42 71 0 50 4 4 51 7 3 52 71 750 4 7 83 1 l l 第二行8 13 5 1 3 4 l 0 5 9 38 1l o 51 3 4 21 7 4 58 11 7514 4 231 3 3 第三行 1 3 53 52 2 1 10 ，5 9 21 3 51 0 52 2 6 31 7 6 61 3 51 7523 1 331 7 5 第四行 1 8 93 53 2 0 00 5 7 01 8 91 0 53 2 2 4l 。7 9 81 8 91 7534 2 23 1 6 0 3 照明系统均匀性分析 利用l i g h t t o o l s 软件的照明模块，将光源发出的可见光部分建模成总功率 为i o o w 的7 个圆柱体光源，将0 9 英寸的l c d 模拟成接收面，通过大量追光线， 二 实现照明均匀性分析。 表3 5 照明均匀性分析数据 光线数 最大值最小值平均值采样点均匀性 ( 万条) 红光2 7 4 4 12 6 4 2 l 2 6 9 1 5 2 52 l o9 6 2 绿光 2 7 - 3 8 9 2 6 4 2 6 2 7 0 3 32 53 5 09 6 4 蓝光2 6 5 1 82 4 5 7 52 5 5 0 52 52 1 09 2 4 整体 8 1 1 1 97 7 4 7 07 9 ，4 5 32 57 7 09 5 4 第三章投影显示照明系统的设计实例 计算机模拟的均匀性允析结果，图3 1 7 是红光路照明均匀性分布，图3 1 8 是绿光路照明均匀性分布，图3 1 9 是蓝光照明均匀性分布。 4 照明系统效率分析 图3 1 7 红光照明均匀性分布 图3 1 8 绿光路照明均匀性分布 图3 1 9 蓝光照明均匀性分布 投影显示系统光学引擎研究 利用l i g h t t o o l s 软件的照明模块，将光源按照实际光源的体光源模型进行 建模，初始设定总功率为i o o w ，在第一蝇眼透镜组、p b s 转换器金属挡板前，p b s 转换器金属挡光板后，0 9 英寸的l c d 处分别设置接收面，通过追光线，实现照 明效率分析。数据如表3 6 ： 表3 5 照明系统效率分析数据 模拟的光源蝇眼透镜组ip b s 挡光板前p b s 挡光板后三原色 红5 8 功率 1 0 09 48 98 4绿 6 8 蓝5 4 图3 2 0 照明效率示意图 由上面的示意图我们可以看到，光源发光的功率设为i o o w ，在到达第一组 蝇眼阵列时，有6 没能通过反射聚光镜反射而直接出射损失掉，在到达p b s 挡 光板前又有5 的能量能直接出射损失掉，p b s 挡光板又拦掉5 的能量，因此到 达p b s 转换装置的总能量为8 4 w 。在模拟的l c d 面上的总能量为6 8 w 。 ；” 一。、 3 3 积分方棒照明系统 。 3 3 1 积分方棒照明系统概述 椭球一方棒照明系统因其结构简单、造价低廉，同时又高效率、高均匀性地 实现将圆形的光束转变成矩形光束，在投影显示中已经得到了广泛的应用。如图 3 2 1 所示，将短弧灯沿光轴放在旋转椭球面反射镜的内焦点上，方棒放在反射 镜的第二焦点附近，光线进入方棒经多次反射，在杆的末端形成均匀的照明，然 第三章投影显示照明系统的设计实例 后通过转向透镜成像到l c d 、l c o s 或d l p 等s l m 上，而后被缩放到与s l m 的尺寸 和投影镜头的f # 丰目匹配。在传统的非成像光学设计中，光源模型一般用朗伯光 源进行模拟，很少基于实际的光源对照明系统建立理论模型，这样建立的模型对 传统的s l m 要求已经足够。但是近几年来发展起来的d m d 和l c o s 技术对照明系 统提出了更高的要求，s l m 的小尺寸、高解析度要求照明系统有更小的e t e n d u e 量，同时保证很高的光能利用率和均匀性。 实际上光源的能量分布和光束形状的转换对系统最终的均匀性和光学效率 有直接影响，特别是对e t e n d u e 量影响很大。而对于方棒模型“2 “，一般把问题 的焦点集中在光束尺寸的转换上，而对光束形状的问题讨论较少。在实践中，对 于短弧灯照明的投影系统，照明系统的设计通常要求将圆形光束照明到矩形( 纵 横比4 ：3 ) 的s l m 上。最简单的转换是用圆形光束将整个矩形覆盖，但是将近 4 0 的光能量损失掉，而且无助于提高照明的均匀性，e t e n d u e 量也损失很大。 光束形状变换我们可以理解成在不同切面上二维e t e n d u e 有不同系数的改变，结 合e t e n d u e 量的概念，本文对这种照明系统进行了详细的阐述和分析，在最后， 为应对光调制器尺寸的减小，提出了一种组合反光镜设计模型，并且与传统的系 统做出了对比说明。 图3 2 1 用于投影显示的积分方棒照明系统 在光源建模方面，我们采用了第二章中提到的，将椭球反光镜与灯弧一体建 模的模型，得到了更精确的计算结果。结合l i g h t t o o s l 模拟的发光强度的配光 曲线功能和n e s t e d 结构酌囱柱状灯弧建模，模拟出了真实的照明效果， 3 3 2 积分方棒的展开和理论分析 投影显示系统光学引擎研究 短弧灯发出的光被旋转椭球面成像到方棒前端，形成灯弧的像，由于它无论 空间位置分布还是空间角度分布都具有旋转对称性，将其建模成一个半径为r7 ， 光强空间分布为i ( r7 ) ，光强角度分布为i ( o7 ) 的圆形面光源，光束的最大发散 角中。 将光线在方棒中的反射按反射定律展开，由于模拟的光源像具有旋转对称 型，因此取方棒对角线方向做r 轴，对称中心点做坐标原点，方棒的中心线做z 轴建模。在光源的不同位置，对应不同角度的光线能够找到方棒末端的边缘和中 心，而这些光线中到达方棒端面前被反射的次数也不相同。我们推导了如下公式， 给出了方棒均匀性计算的函数表达。 图3 2 2 方棒展开示意图 光杆展开后如图3 2 ，2 ，对应光源像上的微元光线经三次反射后，以角度a 出射的光线照到方棒末端的边缘，以角度b 出射的光线到达方棒末端的中心。方 棒的端面为a 7 b 7 ( 0 b 7 ) ，对角线尺寸为c 7 ，介质的折射率为n ，长度为 微元偏离中心的高度为x ，进入方棒后的最大发散角和在方棒中最大的反射次数 为： ”一：a r c s i n ( 型竺) ：i n t 【型等世】 这里的i n t 表示取整。从而，面光源在方棒末端的总的光照度 第三章 投影显示照明系统的设计实例 i = 嫱a f f q w 婶 方棒末端的照明均匀性 u ：l e d g e ：釜壁竺竺：! t 。氅l 要 姒啪f 其中，i m 。为照射到万棒末端的边缘的光照度； i 。为照射到方棒末端的中心的光照度； 属= a r c t a n ( 学) = o ，1 ，2 。) ：删a 1 1 ( 型等旦) ：o ，l ，2 n m 。) 在光源、反射镜、方棒截面尺寸确定的情况下，我们可以得到均匀性和方棒 长度的关系。积分方棒均匀化系统的l i g h t t o o l s 设计结果如图3 2 1 所示。 3 3 3 积分方棒照明系统的设计举例 用z e m a x 软件对其进行了计算机辅助光学设计和优化。在方棒的设计中，光 线在杆中的反射次数决定了均匀性的高低，一般情况下反射次数大于3 次即能够 满足均匀性的要求，利用上面的推导可以看出反射次数与方棒长度的关系。由于 分色薄膜的膜系设计要求，照明系统要求近远心的照明在s l m 上，一个双远心的 转向系统是必需的，z e m a x 设计结果如图3 2 3 所示。参数如下： 光源弧长：1 2 m m 椭球反射镜：r 。= 9 0 ，e = o 8 5a = 4 0 ，b = 2 1 ，口径m 3 8 4 方棒尺寸：6 7 8 9 0 0 2 0 0 0 光调制器参数：对角线尺寸1 7 7 8 投影镜头f # ：2 0 表3 7 转向系统光学设计数据 4 1 投影显示系统光学引擎研究 14 7 9 55k 9 22 3 _ 3 8la i r 32 0 9 6 25k 9 42 2 0 32 5 3 4a j r 光阑i n f i n i t y 4 2 3 3a i r 63 9 4 8 05k 9 7- 5 4 2 9la i r 85 4 2 95 k 9 9 3 9 4 8 06 0a i r 像面i n f i n i t y 0a i r f 船歹墨 蚌毒之= 。、= j ( 1 一= = ，t ：= = 1 1 f三二二l 六 图3 2 3 双远心转向系统的z e m a x 设计结果 图3 2 4l i g h t t o o l s 输出的s l m 上的照明分布 利用l i g h t t o o l s 软件照明模块对设计实例建模。在光源建模时，力求模拟 实际光源，考虑到光源的弧长、发光的位置和方向分布，通过计算2 0 0 ，0 0 0