（光学工程专业论文）投影显示光源的参数测量与建模分析.pdf

浙江大学砸+ 学位论文 摘要 光源作为调制型投影显示系统的重要组成部分，对系统的输出光通量，色彩等 重要性能起着决定性的影响作川，其发光特性决定了照叫系统的设计，并间接影响 到系统对比度、分辨率、【垦i 面均匀性等其它特性，冈而是投影显示技术研究的重点。 本文主要对投影显示光源进行分析，从提y t 投影显_ ：系统整体光学性能的角度 对光源各种光学特性进行分析测量。同时通过建立合适的光源模型，进行投影光学 系统的仿真模拟，1 i 断优化光学系统的设计，提高系统与光源的匹配程度，为提升 投影显示系统的光学性能奠定基础。 本文首先介绍了投影显示系统中常用的儿类光源，分析它们各自的优缺点，并 提出了投影显示光源相应数学模型的建立方法。 其次，水文引入了非成像光学中光学扩展量的概念，分析了带反光碗光源的收 集效率与光学扩展量关系咀及输出光能与光学扩展量关系，同时进行了光学扩展量 的测量研究，通过对光源光学扩展量的实际测量、分析，为光学系统的初始设计提 供丫依据。 本文还在对光源特性分析的基础上，建立了计算机控制技术和数宁图像处理技 术构建相应的测量装置，对光源的光学特性参数一光谱能量分布、配光曲线以及灰度 分布进行了实际测量，并对测量结果进行了分析，为建立旋转对称性光源模型奠定 了良好的基础。 同时，为消除光源灰度分布测量中各发光截面光强叠加而引起的建模误差，本 文还提出了计算机断层成像技术来还原光源各发光截面的灰度分布理论，采用平行 射束卷积反投影算法的计算机实现方法，测量了不同角度下光源的投影数据，进行 了滤波函数的选取，对图像进行分析、处理，还原了光源发光截面的灰度分布情况， 并对结果进行了比较分析，较好地罩建了光源各截面的发光灰度分布。 通过以上几方面的工作，本文完成了以建立光源数学模型为目的的光源参数测 量，构建了相应的测量装置，编写t n 量控制程序以及灰度分布c t 还原程序，对 投影显示光源进行了实际测量并进行了分析，提出采用计算机断层成像技术来消除 光源建模误差的方法，取得了一系列投影显示光源的测量、分析、建模结果，为投 影光学系统的仿真模拟提供了参考依据。 浙江大学硕十学位论文 关键词：光源建模；光学扩展量；光源参数测量；c t 算法 浙江大学坝士学位论文 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 yi s a ne f f e c t i v ew a yt or e a l i z el a r g es c r e e nd i s p l a y s y s t e ma st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti np r o j e e t o rs y s t e m ，l i g h ts o u r c ed o m i n a t e ss y s t e m b r i g h t n e s s ，c h r o m a t i cp e r f o r m a n c e a n do t h e r i m p o r t a n tc h a r a c t e r s ，i t ss p e c i a l i t i e s d e t e r m i n et h ed e s i g no fi l l u m i n a t i o ns y s t e m s ol i g h ts o u r c eb e c o m e st h ef o c u so ft h e d e v e l o p m e n to f f i r o j e c t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g i e s t h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fl i g h ts o u r c ei st h ef o c u si nt h ed i s s e r t a t i o ni no r d e r t om o d e l i n gt h el i g h ts o u r c e ，t h es p e c i a l t i e so fl i g h ts o u r c es h o u l db ek n o w n b a s e do n l i g h t s o u r c e o p t i c a lm o d e l i n g a n di l l u m i n a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ，t h ed e s i g n e rc a n o p t i m i z et h eo p t i c a ls y s t e m ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo f p r o j e c t i o ns y s t e mc a nb eu p g r a d e d f i r s t l y , t y p e s ，a d v a n m g ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n tl i g h t s o u r c ei np r o j e c t i o n s y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e rt h e m e t h o d so fl i g h ts o u r c eo p t i c a lm o d e l i n ga r ea l s o p r e s e n t e d t h e n ，t h ec o n c e p to fo p t i c a le x t e n d ( e t e n d u e ) i se x p l a i n e d i nt h ep a p e r t h ea n a l y s e s o ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i g h ts o u r c ea n dr e f l e c t o rc o m b i n a t i o n sc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y a n de t e n d u e ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u ta n de t e n d u ea r ea l s op r e s e n t e dt h e l i g h ts o u r c ee t e n d u em e a s u r e m e n tr e s u l t sp r o v i d en s tf o r t h ei l l u m i n a t i o ns y s t e mo r i g i n a l d e s i g n a c c o r d i n gt ol i g h ts o u r c eo p t i c a lm o d e l i n g sr e q u i r e m e n t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f m e a s u r e m e n tt h e o r yi nd e t a i l ，m e a s u r e m e n te q u i p m e n t s a r ec o n s t r u c t e db yu s i n g c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dd i g i t a li m a g ep r o c e s st e c h n o l o g y l i g h t s o u r c ea c t u a l c h a m c t e r sa r em e a s u r e db yt h e s ee q u i p m e n t s ，e r r o ra n a l y s i sa r ea l s op r e s e n t e d n e x t ，i no r d e rt oe l i m i n a t et h ee r r o ro fs e c t i o nl i g h ti n t e n s i t ym e a s u r e m e n tr e s u l t ， c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ( c t ) t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ，a f t e rt h e o r ya n a l y s i s ，r e l e v a n t m e a s u r e m e n te q u i p m e n t a n d c o m p u t e rp r o g r a m a r e c o n s t r u c t e d ，r e s u l t s a r ea l s o p r e s e n t e d a tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h eo r i e n t a t i o nt oe n s u r et h em e a s u r e m e n tr e s u l t p r e c i s i o na n dl i g h ts o u r c eo p t i c a lm o d e l i n ga r ed i s c u s s e db r i e f l y i i 浙江人学硕士学位论文 k e yw o r d s ：l i g h ts o t l r c em o d e l i n g ；e t e n d u e ；m e a s u r e m e n t ；c t 浙江大! 颂士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代以来，显示技术已经广泛应用于人们生活的各个方面，已经成为电子 信息工业的一大支柱产业。目前显示领域研究开发的重点，除提高显示图像的分辨率、 亮度、清晰度等主要发展方向外，就是实现显示系统的小型化、显示介面的大型化。就 目前技术条件而言，直接显示( d i r e c tv i e w ) 方式，女n c r t 、l c d 、p d p 等投术，可以 实现5 0 英寸左右的显示尺寸，但对于更大的显示尺寸，实现起来非常困难，而且会造 成系统体积增大、重量增加、成品率降低和成本增加等一系列问题。因此，无论从制造 成本还是技术能力而言，投影显示( p r o j e c t i o nd i s p a y ) 技术是当前实现大屏幕显示 的最佳方法“。投影显示技术在会议、教育、仿真模拟等诸多高端应用场合具有十分 重要的应用，并逐渐应用于低端家用多媒体消费市场，并作为高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 技术的核心，成为了目前显示领域研究开发的重点。 投影显示是将显示器件所产生的图像经过光学成像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，投影显示可以分为主动发光型投影显示和被 动调制型投影显示两大类。发光型投影显示是指在显示器件直接形成高亮度的图像，再 由光学系统的放大成像到屏幕上的显示方式，主要包括c r t 投影显示和激光投影显示两 类。调制型投影显示器件则本身不发光，而是根据输入信号改变显示媒质的某些电光特 性，并经过外加光源的照射，将显示器件上的信息转变为图像经光学系统放大，投影在 屏幕上，形成人们所观看的图像。调制型投影技术主要包括t f t l c d ( t h i np i i m t r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld e v i s e ) 投影显示、l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 投影显示、l c l v ( l i q u i dc r y s t a ll i g h tv a l v e ) 投影显示、油膜光阀投影显示、d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) 投影显示等”1 。 相对于发光型投影显示系统，调制型投影显示系统的电子、光学系统日益成熟，无 论性能、寿命、可靠性、重量、体积、价格都比发光型投影显示系统有优势，特别是液 晶投影显示和d l p 投影显示技术，几乎占据了整个投影显示市场。l c o s 投影显示技术 目前虽没有太多的市场份额，但在价格上有很大的下降空间，具有一定的市场潜力。下 面分别对t f t l c d 、d l p 和l c o s 三种投影显示技术进行个简单的介绍。 二誓 塑兰! ；查兰堡兰竺堡兰 1 1 1t f t l c d 投影显示 t f t - l c d 投影技术是目前最为成功的投影显示技术，无论在技术成熟度、产品成本， 还是市场占有率上来讲，t f t l c d 投影系统都具有相当的优势。日本的e p s o n 公刊和s o n y 公刮是目前投影系统t f t l c d 芯片的主要厂商。 图卜1 为典型的三片式t f t l c d 投影系统示意图。由光源发出的自光经反光碗的收 集和反射，经过双排复眼照明系统、偏振转换系统后，由分光镜将其分为红、绿、蓝三 色光束，分别照射在r 、g 、b 三块液晶板上，图像信号由驱动电路分别写入三块液晶板 中，三片单色液晶板所形成的单色图像经过系统中的合色棱镜合成彩色图像，最后由投 影物镜投射到屏幕上形成需要显示的彩色图像“1 。 图卜1 三片式t f t 液晶投影系统示意图 1 1 2d l p 投影显示技术 微机械投影显示技术以德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 的d l p 为代表。d l p 即数字 光处理器，是基于数字微反射镜器件d m d 而得到投影显示的实现方法，d m d 芯片是d l p 技术的基础，d m d 芯片上有大量小镜片，每个小镜片都可以绕一轴旋转，在一定的角度 下，入射的光经过小镜片的反射可以被投影物镜接收放大，投射到屏幕上，形成一个亮 点；在另外一个角度下，入射的光经过小镜片的反射不能被投影物镜所接收，在屏幕上 的相应位置就形成了一个略点。图像信息就通过这些小镜片的不同的反射角度所决定“。 图卜2 为一单片式d l p 投影系统。系统中，色轮( c o l o r w h e e l ) 产生序列的彩色照 明光束。光源发出的光经反光碗的反射，通过旋转的色轮，便产生红、绿、蓝的光束序 2 浙江大学倾十学位论文 列，再经过方捧、棱镜等器件照射在d l p 芯片上。d l p 的信号驱动与色轮产生的色彩序 列同步，由人眼完成三色混色，形成彩色图像”1 。 钿k f 图卜2 单片d l p 投影显示系统 1 1 3l c o s 液晶硅投影技术 l c o s 技术结合了液晶和c m o s 传统半导体技术，器件工作在反射模式下，半导体控 制电路部分隐藏在金属反射镜下因此其解决了金属电极挡光的缺点，具有超过9 0 的 开口率。l c o s 的基底是单晶硅，大量驱动控制电路甚至图象处理功能模块都可以直接集 成在基底上，可实现“单片显示器”。另外，l c o s 具有非常高的分辨率，像素控制开关 的响应速度也很快，器件速度仅受限于液晶本身的特性”i 。 目前，l c o s 投影显示系统兼顾三片式显示与单片式显示两个方向。三片式投影显示 目前除了与t f t l c d 投影显示技术相类似的分光、合色结构外，还可以采用3 m 公司的 色四方体( c o l o r q u a d ) 来完成系统的分色和合色”“。色四方体由四块偏振分束镜和四 片偏振干涉滤光片组成。系统简图如图1 - 3 所示。c o l o r q u a d 方式l c o s 显示系统的优点 在于光能利用率较高，但是存在着生产成本高，定位调节困难，工艺相对复杂等缺点， 目前的应用范同较窄。 浙江大学顺七学位论文 图i 一3 色四方体l c o s 投影系统 单片式l c o s 投影系统以p h i l i p s 公司的卷帘系统为代表。这种系统仅需要一片l c o s 芯片，利用卷帘式滚动色带来实现彩色显示，技术上具有相当的竞争性。图卜4 为 p h i l i p s 公司提出的使用旋转棱镜的l c o s 投影显示系统，光源发出的光经过分光镜分成 了红、绿、蓝三色光束，它们在分别经过旋转的棱镜作用在同一时刻分别对一个l c o s 芯片的三块区域提供照明。随着棱镜的快束旋转，三束单色光按一定的顺序依次扫描过 整个c c o s 芯片的照明区域，l c o s 芯片的图像信号驱动与扫描顺序相一致，三种颜色的 图像同时被投影物镜投射到屏幕上，并利用人眼的迟滞效应，将三原色的单色图像组合 成彩色图像”1 。 图l 一4p h i l i p s 旋转棱镜投影系统 t f t 液晶投影显示系统、d l p 投影显示系统以及l c o s 液晶硅投影显示系统由于具 有显示效果好、易于实现大屏幕显示、重量轻、体积小、技术成熟等优点，已经成为市 场上的主流。三者均属于调制式投影显示技术的范畴，要显示可见的图像信息均需要性 能良好的光源和照明系统，因此我们对光源以及照明系统的研对于调制型投影显示系统 4 浙江大学硕士学位论文 性能的提高显得尤为重要，本文的重点在于显示光源的测量及研究。 1 2 投影系统常用光源 r 偏森换卜磊幻 图1 - 5 液晶投影显示系统结构示意图 以液晶投影显示系统为例( 上文介绍的其它两类投影显示技术均与其类似) ，其基本 构成如图l 一5 所示，主要由光源、照明系统、分色系统、偏振转换、合色系统、投影物 镜、显示器件、信号输入设备和屏幕组成吼光源发出的光经照明系统及分色系统后照 射到显示器件上，再由投影物镜投射到屏幕上形成彩色图像。其中光源是最为关键部分 之一，它决定了系统大多数的性能表现，如输出光通量、色温等等。 投影系统常用的光源主要有：氤灯、金属卤化物灯、l e d 、超高压汞灯( u h p ) 等“。 它们的共同特点是： 1 ) 光源小、亮度高、光的利用率高、使用寿命长，色温好： 2 ) 灯的效率包括电路的综合效率好； 3 ) 具有适合r ，g ，b 三色显示的发光光谱； 4 ) 灯装置及外围电路小型轻量“。 以下对投影系统常用的光源作一个简要的介绍。 1 2 1 氙灯 氙灯是利用高压与超高压氤气放电发光的，它的光谱能量分布非常接近于日光。氙 灯按电弧长短不同可以分为长弧氙灯和短弧氙灯。长弧氙灯的充气气压较小，在使用交 流电驱动时，灯泡功率可以做得很大，适合于码头等大面积照明。早期的投影显示系统 中常用到短弧氙灯。短弧氙灯充气气压约为5 0 6 6 2 5 3 0 3 9 7 5 0 p a ，常使用直流点燃，氙 灯是使两个相距很近的钨电极在它们之间的氙气中放电，从而发出强光的，不同结构的 浙江大学硕士学位论文 性能的提高显得尤为重要，牟文的重点在于显示光源的测量及研究。 1 2 投影系统常用光源 r 蝻磊换厂磊幻 图15 液晶投影显示系统结构示意圈 以液晶投影显示系统为倒( 上文介绍的其它两类投影显示技术均与其类似) ，其基本 构成如图1 - 5 所示，主要由光源、照明系统、分色系统、偏掘转换、台色系统、投影物 镜、显示器件、信号输入设备和屏幕组成 。光源发山的光经照明系统搜分色系统后照 射到显示器件上，再由投影物镜投射到屏幕上形成彩色图像。其中光源是最为关键部分 之一，它决定了系统大多数的性能表现，如输出光通量、色温等等。 投影系统常用的光源主要自：氙灯、金属卤化物灯、l e d 、超高压汞灯( u h p ) 等“。 它们的共同特点是： 1 ) 光源小、亮度高、光的利用率高、使用寿命& ，色温好： 2 ) 灯的效率包括电路的综台效率好； 3 ) 具有适合r ，g ，b 三色显示的发光光谱； 4 ) 灯装置及外围电路小型轻量”“。 以下对投影系统常用的光源作一个简要的介绍。 1 2 1 氖灯 氙灯是利用高乐与超高压氙气放电发光的，它的光谱能量分布非常接近于日光。氙 灯按电弧k 短可；同可以分为长弧氙灯和短弧氙灯。长弧氙灯的充气气压较小，在使用交 流电驱动时，灯泡功率可以做得很大，适合于码头等大面积照明。早期的投影显示系统 中常用到短弧氙灯。短弧氙灯充气气压约为5 0 6 6 2 5 3 0 3 9 7 5 0 p a ，常使用亩流点燃，氙 灯是使两个相距很近的钨电极在它们之间的氙气中放电，从而发出强光的，不同结构的 灯是使两个相距很近的钨电极在它们之间的氙气中放电，从而发出强光的，不同结构的 浙江大学硕士学位论文 性能的提高显得尤为重要，本文的重点在于显示光源的测量及研究。 1 2 投影系统常用光源 r 偏森换卜磊幻 图1 - 5 液晶投影显示系统结构示意图 以液晶投影显示系统为例( 上文介绍的其它两类投影显示技术均与其类似) ，其基本 构成如图l 一5 所示，主要由光源、照明系统、分色系统、偏振转换、合色系统、投影物 镜、显示器件、信号输入设备和屏幕组成吼光源发出的光经照明系统及分色系统后照 射到显示器件上，再由投影物镜投射到屏幕上形成彩色图像。其中光源是最为关键部分 之一，它决定了系统大多数的性能表现，如输出光通量、色温等等。 投影系统常用的光源主要有：氤灯、金属卤化物灯、l e d 、超高压汞灯( u h p ) 等“。 它们的共同特点是： 1 ) 光源小、亮度高、光的利用率高、使用寿命长，色温好： 2 ) 灯的效率包括电路的综合效率好； 3 ) 具有适合r ，g ，b 三色显示的发光光谱； 4 ) 灯装置及外围电路小型轻量“。 以下对投影系统常用的光源作一个简要的介绍。 1 2 1 氙灯 氙灯是利用高压与超高压氤气放电发光的，它的光谱能量分布非常接近于日光。氙 灯按电弧长短不同可以分为长弧氙灯和短弧氙灯。长弧氙灯的充气气压较小，在使用交 流电驱动时，灯泡功率可以做得很大，适合于码头等大面积照明。早期的投影显示系统 中常用到短弧氙灯。短弧氙灯充气气压约为5 0 6 6 2 5 3 0 3 9 7 5 0 p a ，常使用直流点燃，氙 灯是使两个相距很近的钨电极在它们之间的氙气中放电，从而发出强光的，不同结构的 浙江人掌垧士学位论文 氙灯如图l 一6 所示】。 图1 6 不同结构氙灯示意图 氙灯辐射的可见光谱与太阳光非常接近，色温在5 6 0 0 k 左右，因此它的色表和显色 性都比较好。功率较大的超高压氙灯的亮度可达7 0 1 5 0 m c d 矿总的输出光通量可以达 到5 1 k l m ，光效可达3 4 1 m 巩由于光效不高，发光弧较长，寿命较短等缺点，氙灯在投 影显示系统中应用得越来越少了1 。 1 2 2 金属卤化物灯 金属卤化物灯在高压汞灯的基础上添加其它金属卤化物，改善了高压汞灯的光谱， 而且仍旧保持相对较高的光效，达到6 0l m w o 由于金属卤化物灯的尺寸小、亮度分布 均匀、光效高、显色性好，常应阳于小型放映机中。可以用来制作金属卤化物灯的金属 卤化物多达5 0 种以上，按照不同的发光特性要求，我们从中选取适当金属卤化物并控 制它们的比例，可以做出用于不同目的的金属卤化物灯，例如碘化钠一碘化铊灯发出的 是白光，碘化铊一汞灯发出的是绿光，因此金属卤化物灯的色温可以从2 4 0 0 k 到1 0 0 0 0 k 变化。但是由于金属卤化物灯的发光稳定性差，发光弧较长，颜色稳定性较差等缺点， 其在投影显示系统种应用日益减少“。 1 2 3l e d 光源 新型可见光l e d ( l i g h te m i t t e dd i o d e ) 单晶材料以a 1 g a i n p 和g a n 为主流。当今 6 浙江人学颂十学位论文 l e d 已经实现了全彩、高亮度、封装小型化和显示大型化。材料外延生长的新技术使高 亮度l e d 实现了产业化。另外，金属有机化合物、汽相淀积( m o c v d ) 法的晶体生长t 艺已成为当代开发、生产新型l e d 实现全彩化、高亮化的关键技术。 随着l e d 应用范围的拓展，l e d 已经运用到了投影显示领域，为投影系统的小型 化作出了贡献。l u m i l e d s 研发的高亮度l e d 的发光效率已经达到了8 0 似图l 一7 就是l u m i l e d s 公司生产的高亮度l e d 的结构示意图。此高亮度l e d 不采用金属罩，直 接通过集成环氧树脂照明透镜用效率更高的全反射和折射方法收集芯片上发出的光，以 达到更高的收集效率。 h e , a b i n k s i q 咎 图1 7l u m i l e d s 公司的高亮度l e d 一“l u x e o n ” 此外，o s r a m 生产的高亮度的l e d 绿光的光效达到了8 6 1 r r d w ，并且开发了一种将 三色l e d 集成为一块白色l e do s t a r p r o j e c t i o n ，其中集成了红、绿、蓝、三种高亮 度l e d ，其发光效率分别为5 5 1 m w ，8 6 1 m w ，1 0 ，5 1 m w o 这款l e d 专用于投影显示系 统中。结构大小仅为2 1 x 2 1 m m 2 ，三色集成的l e d 的结构图如图1 - 8 所示。 图1 - 8o s m m 白色l e d 结构图 l e d 作为投影系统光源具有色彩纯、功耗小、寿命长等优点，但是由于l e d 的发散角 大，亮度小，输出光通量小、散热大以及发光面积大等本身固有的缺陷，使得l e d 只 是在一些便携式投影概念机中使用，并没有成为投影系统最常用的光源。在l e d 制造 浙江人学颂十学位论文 t 艺和水平没有一个大的提升的情况下，l e d 还不能在投影系统中大范围应用“。 1 2 4u h p 超高压汞灯 u h p 光源自从问世以来，就迅速成为投影系统光源的最佳选择。与之前的光源相比， 它具有诸多优点： ( 1 ) 亮度高 当今外形小巧的投影设备要有效地产生较好地投影图像，光源的发光弧的平均亮度要大 于1 g c d m 2 。这么高的亮度，只有稀有气体放电( 效率低) 或者纯水银气体放电可以达 到。最大的亮度在放电温度由普朗克定律决定的热平衡达成时能够达到。过去，金属卤 化物被添加进去，以改进光源的光蹯分布，降低放电温度，但是同时，金属卤化物也降 低了光源的发光强度。因此现在的u h p 光源只将纯水银作为发光的物质。 ( 2 ) 连续的光谱分布 u h p 光源具有良好的光谱能量分布，显色性好，色温可达8 5 0 0 k ，使得系统可以输出色 彩良好的图像。 ( 3 ) 寿命长 u h p 光源的使用寿命大大长于1 0 0 0 0 小时。对于投影设备来说就不用频繁地更换光源， 带来不必要的麻烦。 ( 4 ) 发光弧稳定 u h p 光源的电极形状在工作了几十或者几百小时后会发生改变。发光弧的电离区域也随 之改变。移动的发光弧会使得投射影像的光强发生变化，导致影像的不稳定。p h i l i p s 公 司通过紫外稳弧技术使得发光弧的形变量很小，在u h p 光源寿命内，发光弧的形状很 少发生改变。 ( 5 ) 发光弧长短 u h p 光源的发光弧长是常用光源中最短的( 约1 m m ) 。由于发光弧长短，光源的光学扩 展量较小，使得后续的光学系统设计相对简单，光能的利用率也相对较高。 另外，对于u h p 光源，可被利用的光通量西，可以通过弧长d ( ) 以及光源的功 率p 可以使用下面的经验公式来计算得到“： 浙江人学坝士学位论z ，瑚晰t a n 丽i 蒜 - ， 若给出了系统中各个光学零件的光学效率，系统最终的光能输出就可以根据式( 1 1 ) 间接得到。以下是投影系统几种常用的光源性能比较1 1 1 1 。 表i - 1 常见光源的性能比较 灯效率增亮 光源种类色温k 寿命h弧长主要用途 ( i r a w )时间 2 0 32 5 卤灯3 0 0 0 3 5 0 0 长短 ( 1 5 0 5 0 0 w )2 0 0 0 在投影系统中运用较 2 5 4 05 8 0 01 0 0 0 氙灯长长 少，只在莱些特定场合 ( 1 5 0 w 7 k w )2 0 0 0 用到( 如电影放映机) 金属6 0 8 0 2 0 0 0 - - 6 5 0 0 8 0 0 0较长长 卤化物灯 ( 8 0 4 0 0 w )5 0 0 0 超高压 8 01 1 2 7 0 0 0 8 5 0 0 i 0 0 0 0 短大部分投影仪 汞灯( 1 0 0 1 5 明)短 无电极 5 8 0 0 1 0 0数万长长正在开发 h i d r e d3 0 4 0 g r e e n2 0 3 0 l e d 1 0 0 0 0体光源极短微型投影仪 b l u e1 0 1 5 w 1 1 i t e1 5 2 5 综合各个方面的性能及特点，u h p 无疑是投影系统的最常用、性能相对最稳定的光 源。近些年来，u h p 光源的制造技术不断进步，出现了不少新型的u h p 光源，如图卜9 所示1 。 圈卜9 掰型u h p 光源及系统结构示意图 图1 9 中的u h p 光源泡体的半个球面上镀有分色薄膜，膜层将可见光反射，透射光源 发出的红外及紫外部分的辐射，使得新型u h p 光源的光谱分布较原有u h p 光源有了较 9 卸r 扎犬字坦十竿诬记又 大程度的改善，如图1 1 0 所示。 毫： - d ； w a 、，e l e n g t h 【n m 】 图1 1 0 新型u h p 光源光谱能最分布示意图 另一方面，由于u h p 泡体的外壁是比较完美的球体，所以可见光经由膜层的反射， 经过发光弧由泡体的另一个半球射出。这种设计主要有以下两个优点： ( 1 ) 光源出射的光被限定在一个半球内，有利于光能的收集。 ( 2 ) 发光弧的亮度得到提高，使光学要求较高的光学系统收集光能更容易。 光源的光谱分布有了相当程度的改善。 由于u h p 灯的诸多优点，使得它迅速的被广泛的应用于投影系统中。另外u h p 灯光 源技术和生产工艺也不断进步，使得u h p 光源的体积和投影机的体积不短减小，而投影图 像的光通量不断提高。本论文关于光源的研究主要是针对u h p 光源的。 1 3 问题的提出 光源作为调制型投影系统光线的源头，是系统中重要的组成部分。光源与照明系统 的配合程度决定了系统的输出光通量、照明均匀性、图像色温等大部分投影系统性能。 因此系统光源的研究是投影光学系统的设计、优化的基础，是个相当有研究价值的课题。 本文对光源的研究分两部分进行：第一，引入非成像光学理论中的光学扩展量概念， 对光源进行研究，作为投影光学系统初始设计的依据：第二，提出相应的光源数学模型， 并依照光源模型建立的要求，测量相应的光源特性参数构建光源模型，为投影光学系统 的光线追迹，投影光学系统性能的仿真模拟打好基础“。 浙江大学坝仁学位论文 1 3 1 光源光学扩展量的研究 传统的成像光学系统将像差及像差容限作为系统的评价目标，并以系统成像质量的 好坏作为系统的评价标准。而投影显示的光学系统包含成像投影物镜和照明系统两大部 分：成像投影物镜必须满足一定的成像关系和成像质量，而照明系统主要考虑的是如何 提高光能利用率、照明均匀性以及与成像投影物镜的匹配问题。以成像质量、光能利用 率和照明均匀性共同作为系统的评价标准，这是投影显示系统与传统的成像光学系统设 计的不同之处。显然此时采用传统成像光学的方法已经不能对投影光学系统进行全面的 评价了。因此需要引入新的系统评价和分析方法，相应地，光源也需要应用新的评价和 分析方法来进行研究。1 9 9 6 年，s b r e n n e s h o l t z 首先将非成像光学理论引入到投影显示 系统的分析中。此后d a v i d a r m i t a g e ，b e n j a m i n a j a c o b s o n 等人做了进一步深入的研究， 将非成像光学中的扩展量等分析方法引入到投影显示系统的设计与分析中。在分析光 源、光学系统光学扩展量的基础上，进行分析优化，可以使两者实现最大程度上的匹配， 促使整机系统的性能提高”“。 1 3 2 光源数学模型的建立 为进行系统光线的追迹计算，实现投影系统的仿真模拟，得到准确、有效的光源模 型是关键的步骤。在投影系统的仿真模拟中，通常使用的光源模型主要有以下几种： ( 1 ) 旋转对称体光源模型 由光源发光体内部各点发光能力不同而得到发光体( 一般的仿真模拟软件中的光源 模型都近似认为光源为轴对称的，因此只要得到一个发光截面的灰度分布，将其绕对称 轴旋转一周就可得到发光体) ，接着对所得到的发光体进行细分，将发光体分成一系列 微小的立方体，发光体的光能以一定的权重分配到各个立方体中，在每一个微小立方体 内各点的发光能力是一样的；不同的微小立方体在空间上的发光强度都具有相同的角度 分布( 即具有相同的配光曲线) ，再加上光源的光谱能量分布数据，就可得到光源的数 学模型。在光学系统的模拟时，光线从立方体内发出，分别计算各个立方体发出的光线， 再将结果进行综合，就可以得到使用相应光源的光学系统的表现。建模方法流程如图 卜l l 所示： 今颤。 图1 - 11 旋转对称体光源模型建模流程 巴! ：j 鼬芝：“ 此类光源建模方法需要得到光源的光谱分布、配光曲线数据以及光源灰度分布数据进行 光源在数学上的重现，因此建立此类光源模型需要对光源截面的灰度分布、配光曲线及 光谱能量分布数据进行测量“。 ( 2 ) 非旋转对称体光源模型 由于许多实际光源内部各点发光能力情况并不是旋转对称的，使用旋转对称体光源 模型显然不合适，因此本文提出了非旋转对称体光源模型，如图卜1 2 所示。 图1 1 2 非旋转对称体光源模型示意图 对得到的具有不同灰度分布( 非旋转对称) 的截面1 、截面2 、截面n 进行累加， 截面之间的点的发光能力使用两截面的灰度分布数据进行差分处理，就可以的到非旋转 对称发光体模型了。接着按照旋转对称光源模型的处理方法，对所得到的发光体进行细 分，配上相应的配光曲线和光谱能量分布数据就可进行相应的光线追迹了。 非旋转对称光源模型相对旋转对称光源模型的建立只需要一个截面的灰度的情况不 同，其模型的建立需要得到多个发光截面的灰度分布，另外，配光曲线和光谱能量分布 数据也是必需的”“。 2 斩红人掌坡士学位论文 ( 3 ) 空间光线走向光源模型 r a d i a n ti m a g e 公司提出的光源模型忽略原有的建模方法所必须要考虑的光源 几何形状，只关心光源发出的光线的实际走向以及强度，疵一个以光源为球心的整个4 z 球面上，拍摄得到各个球面位置上的光源图像，以光源与拍摄得到光源图像的相对位置 以及光源图像数据决定光源在某一路径上发光能力的大小，过程如图卜1 3 所示”“”? “。 图1 1 3 空间光线走向光源模型建立过程示意图 建立空间光线走向光源模型需要在以光源为球心的47 e 球面上获得大量的光源照片 数据。此种光源模型的缺点在于所需要测量的数据量很大，不能直接代入到现有的光学 模拟软件中进行仿真，不如前面两种光源模型应用方便，因此本论文的研究的出发点为 旋转对称与非旋转对称光源模型，论文测量的结果也主要是为建立这两种光源模型而服 务的。当然实际应用中还有其它的光源模型，如套筒模型，若干均匀发光体叠加模型等 等，限于篇幅，不再展开讨论。 1 4 论文的研究内容 本论文研究的主要内容是光源扩展量的研究、光源参数的测量以及测量装置的实现。 本文的分析和研究的出发点是投影显示照明系统的仿真模拟，以光源光学扩展量分析为 基础，构建一系列测量装置实现光源参数( 配光曲线、灰度分布) 的自动测量，并借助 相应算法例如投影重建算法对测量所得光源参数进行重建，得到准确的光源数学模型， 为照明系统的仿真设计、系统分析奠定一个良好的基础。 本文的主要内容有： 1 ) 应用非成像光学的基本原理与分析方法，利用光学扩展量的理论对光源特性进行分 浙江人学颂十学位论文 析。并从相对宏观的角度上，对光源与反光碗结合体的光学扩展量进行了研究，测试了 光源光学扩展量与输出光通量的关系，从而对系统的输出能量及光能利用率进行准确的 表征，进而分析了系统最佳t 作点的选择，使照明系统具有更高的收集效率，并使光能能 够被后续系统更好地利用，为系统模拟仿真和系统优化提供理沦和实验依据，为投影光 学系统的初始设计提供了良好的基础。 2 ) 针对光源建模建立所需要的光源参数要求，对光源的各光学参数进行分析、测量。 在投影照明系统的设计仿真中，我们需要的光源主要光学参数包括光源配光曲线、光源 灰度分布参数以及光源光潜能量分布数据。在构建相应装置和测量这些光学参数的基础 上，进行了数据的误差分析。 3 ) 分析从测量所得数据一光源模型还原过程中还原方法存在的缺陷，引入医学影像领 域中投影数据重建的c t 算法对测量所得数据进行处理，还原出更加准确的光源灰度分 布情况，为建立准确的光源数据模型提供基础”“2 1 。并对各种c t 算法在光源灰度分布 的还原过程中的优缺点进行分析、比较，选取相对精确的算法。 4 ) 论文的最后对光源数学模型的建立以及改进提出了一些想法。 本论文对光源的研究主要基于光源模型的建立而展开的，光源光学扩展量的研究、 光源参数的自动测量以及基于c t 算法光源灰度数据的还原涉及到较多的汁算机编程知 识，考虑到论文的重点，本论文对于程序实现的部分并没有进行过多篇幅的介绍，但是 为了对进一步的工作提供参考和帮助，在必要的地方还是会提供相应的方法和程序流 程。 综合来说，本论文的创新点和特色可以总结为以下几点： ( 1 ) 构建了光源配光曲线和灰度分布参数测量的实验平台； ( 2 ) 运用非成像光学中光学扩展量的概念分析光源特性； ( 3 ) 引入了计算机断层成像技术的算法，实现了光源灰度分布参数更为精确的测量和 还原。7 论文的重点在于光源参数的测量与还原，基于医学影像领域中c t 重建还原算法， 提出了一整套光源参数的测量还原装置与算法，并且对实际的光源进行了测量和分析， 论文工作可以为投影系统中光源的测量和建模的进一步研究提供借鉴和帮助。 4 浙江人学颂十学位论文 【参考文献】 【1 【日 西田信文主编，马杰详。大屏幕显示。北京：科学出版社。2 0 0 3 【2 郑臻荣液晶投影显示光学系统的理沦和应用研究，浙江大学博士学位论文，1 9 9 9 【3 下勇竞，微显示技术的进展，现代显示，2 0 0 3 年第二期，p 4 7 4 刷f 等，复眼透镜提高液晶投影照明系统的能量利用率，光学学报2 0 0 4 年筇五期，2 0 0 4 5 叶明勤，大屏幕显示技术的发展2 0 0 3 ，1 7 ( 2 ) ，7 1 7 3 【6 周杰浙江大学光学专题，2 0 0 i 【7 钱志远，前途无量的l c o s 显示技术，屯子【生界2 0 0 3 年第五期，p 1 1 1 2 8 w w w 3 m c o m 【9 w w w p h i l i p s c o m 1 0 】陈忠等，飞利浦u i - i p 投影光源的新发展，现代显示，第3 7 期，p 2 6 2 8 1 1 s t e p h e ne c k h a r d t , 3 mp b sf o rh i g hp e r f o r m a n c el c o so p t i c a le n g i n e ，s p i ev o l5 0 0 2 ( 2 0 0 3 ) ， p 1 0 6 1 1 0 1 2 】h o l g e rm o e n c ko p t i c a lm o d e l i n go f u h pl a m p s ，s p i ev 0 1 4 7 7 5 ( 2 0 0 2 ) ，p 3 6 - 4 5 1 3 】u l r i c hw e i c h m a r m ，u h p l a m p sf o rp r o j e c f i o ns y s t e m s ：g e r i n ga l w a y sb r i g h t e r ，s m a l l e ra n de v e n m o r ec o l o r f u l ，s p i ev 0 1 5 2 8 9 ( 2 0 0 4 ) ，p 2 5 5 - 2 6 5 1 4 】光辐射测量，p 1 0 0 1 5 g e r oh e u s l e r ，a d v a n c e du h pl a m p sf o rp r o j e c t i o ns y s t e m s ，s p l ev o l ，5 0 0 2 ( 2 0 0 3 ) ，p 2 0 - 3 0 1 6 m a r kej o n g e w a a r d ，g u i d et os e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t et y p eo fl i g h ts o u r c em o d e l ，s p i e v 0 1 4 7 7 5 ( 2 0 0 2 ) ，p 8 6 9 8 1 7 m a t t h e ws b r e n n e s h o l t z ，l i g h tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yf o rl i g h tv a l v ep r o j e c t i o ns y s t e m s ，s p i ev o l2 6 5 0 p 7 1 7 9 【18 】h a r