（光学工程专业论文）投影电视的光学引擎研究及其照明系统设计.pdf

投影 b 桃的光学0 i 擎研究披其照叫系统设计摘要 a b s t r a c t l a r g e s c r e e np r o j e c t i o nd i s p l a yi s at y p i c a lh i g h - t e c h n o l o g yp r o d u c t i o n ，w h i c h m e r g e sm i c r o e l e c t r o n i c s ，o p t i c s ，m e c h a n i s ma n dl i q u i dc r y s t a li n t oaw h o l e o p t i c a l e n g i n e ( o e ) i sak e yf a c t o r i nt h ed e s i g no fp r o j e c t i o nd i s p l a y m a n yi m p o r t a n t 醪r f o r m a n c e s ，s u c ha sb r i g h t n e s s ，u n i f o r m i t y , c o n t r a s t ，e t c ，d e p e n du p o ni t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ( d l p ) a n dl i q u i dc r y s m lo n s i l i c o n ( l c o s ) t e c h n o l o g i e s ，s p a c i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l mo ri m a g e r ) f o rp r o j e c t i o n d i s p l a y sb e c o m e si n c r e a s i n g l ys m a l l e rs i z e ，l o w e re t e n d u ev a l u ea n dh i g h e rp i x e lc o u n t t h e s ef e a t u r e sa r er e q u i r e df o rl o w c o s ta n dh i g h r e s o l u t i o nd i s p l a y 印p l i c a t i o ns u i t a b l e f o rt h en e x tg e n e r a t i o no fd i g i t a lp r o j e c t i o nt e l e v i s i o n sa n dm o n i t o r s i nt h i sp a p e r , w e c o n c e n t r a t eo nt h ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to fo p t i c a le n g i n ea n dt h ed e s i g no f i l l u m i n a t i o ns y s t e m t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h el e n sa r r a yi l l u m i n a t i o ns y s t e ma n dt h el i g h tp i p es y s t e mw i t hh i g hu n i f o r m i t y h a v e b e e na n a l y z e da n dd e v e l o p e df o rp r o j e c t i o nd i s p l a y s t h ed e s i g nm e t h o da n d p a r a m e t e r sa 坞d i s c u s s e d t h em o d e l i n gr e s u l ts h o w st h eh i g ho p t i c a le f f i c i e n c ya n d u n i f o r m i t yo ft h es y s t e m s b o t ho ft h e ma r es a t i s f i e dw i t ht h el a r g e - s c r e e np r o j e c t i o n d i s p l a y sw i t l l0 9i n c hs l m 2 ) b a s e do na n a l y z i n go eb yn o n - i m a g i n go p t i c s ，f i v en o v e lr e f l e c t o rs y s t e m sh a v e b e e nd e s i g n e dt oc o l l e c ta n df o c u sl i g h tf r o ma na r cl a m po n t ot h ei m a g e r a n dt h i sp a p e r r e s p e c t i v e l yd e s c r i b e st h es e m i e l l i p s o i dt y p e ，e l l i p s o i d h y p e r b o l o i ds e c o n di m a g i n gt y p e ， r o t a t i o n a l - a x i se l l i p s o i dt y p e ，d u a l p a r a b o l i ct y p e ，a n dd u a l a x i sd u a l - p a r a b o l i c t y p e i l l u m i n a t i o ns y s t e m st oc o u p l et h el i g h tf r o mt h el a m pt ol i g h tp i p e o nt h ep r e m i s eo f 9 0 i l l u m i n a t i o nu n i f o r m i t y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec o m p a r i s o no fo p t i c a le f f i c i e n c y a m o n gt h e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h ei m p r o v e ds y s t e m sm a yo f f e rap o t e n t i a l a p p l i c a t i o nf o rp r o j e c t i o nd i s p l a yw i t l l0 5i n c ho rl a r g e rs l m 3 1t h i sp a p e rc o m p a r e st h et r a n s m i s s i v es l mo p t i c a le n g i n ew i t ht h er e f l e c t i v e t h e a d v a n t a g e sa n dd e s i g nf e a t u r e so ft h er e f l e c t i v es l mo p t i c a le n g i n eh a v eb e e nd i s c u s s e d s e n c o n d l y , t h i sp a p e ra p p l i e st h ed u a l - - a x i sd u a l - - p a r a b o l i ci l l u m i n a t i o ns y s t e mt os c r c o l o rw h e e lo et om e d i a t et h ec o n t r a d i c t i o no ft h ee t e n d u ea n do p t i c a le f f i c i e n c yo ft h e s c rs y s t e m t h et h e o r e t i c a lr e s u l ts h o w sa b o u t15 i m p r o v e m e n to ft h er e c a p t u r e e f f i c i e n c y f i n a l l y , b a s e do na n a l y z i n go p t i c a le n g i n ea saw h o l e ，ap r o j e c t i o nl e n sw i t h6 u 投蟛电视的光学引擎研究及其照叫系统砹计摘要 g r o u p ，7p i e c e sa n d2a t ；p h e r i c a ls u r f a c e sh a sb e e nd e s i g n e df o rp r o j e c t i o nd i s p l a y s k e y w o r d s ：o p t i c a ld e s i g n ，n o n - i m a g i n go p t i c s ，p r o j e c t i o nd i s p l a y , o p t i c a le n g i n e ， i l l u m i n a t i o ns y s t e m ，s c rc o l o rw h e e ls y s t e m ，p r o j e c t i o nl e n s 一 1 1 1 第一章绪论 第章绪论 1 1 大屏幕投影显示技术的背景 大瓣纂显示技术主要袁：以c r t 为图像发生源的投影最示、等离子体( p d p ) 姓示和l c d l c o s d l p 微显示光学投影系统。由于c r t 大屏幕显示的体积、重 缀秘亮度受限，p d p 超大羼幕显示受技本和成本限制，蕊l c d l c o s d l p 等投 影显示的芯片分辨率不断提简，整机价格直线下降，市场嗣益扩大“。 l e d 瞄o s d l p 微显示光学投影系统已成为国际大羼幕( 5 0 2 0 0 英寸) 鼹示技 术的主流埘。根据2 0 0 2 年s t a n f o r dr e s o u r c e s 的预测，全球投影显示市场 从1 9 9 8 霉到2 0 0 5 年，总值将从7 2 2 亿美元增长到超避1 7 8 亿茭元”1 。强翦， 几乎所有的国际著名电器厂家( 包括s o n y 、s a n y o 、n e c 、s h a r p 、n a n l 、i o n a l 、 p h i l 。t p s 、t o n s h i b a 、j v c 、t o m b s e n 、 n f o u c u s 、p r o x i 嫩等) 都杰鞋入大羼纂 投影机的研究和生产。2 0 0 2 年已经实用化的5 0 英寸大屏幕投影电视机的亮 度必3 0 0 5 0 0e d 蠢，对比度麓3 0 0 5 0 0 ：l ，已与c r t 电援捉螺当，瞧还 不足以满足h d t v 要求，必须解决许多技术难点。大屏幕投影电视这一技术还 远未成熟。在投影显示系统中，光学弓 擎具囊攀足轻重的 睾雳，它决定了整 个系统的大部分性能参数，包括光亮度、照明均匀性、色饱和度、分辨率以 及对毙疫等。另乡 馋为必学弓l 擎系统主溪经残郝分筑照明系绞楚实现裹亮度、 高均匀性的关键。 l - 1 1 各种类型的光学引擎 从缔构上划分，投影祝可分为使用荦片式投影视移三片式投影祝。单片 式投影机具有维装简单的优点，但是因为是使用单片彩色的察闻光调制器 ( s l y ) ，有透光效率不馕的缺点。同时，因为一个全彩的点需由空间上戏时间 。e 红、绿、蓝3 个基本瓴所组成，所以造成唾颟分辨率戏颜色特性的降低“1 。 三片式s l m 投影枫就可以避免单片式s l m 投影机的缺点”。三片式s l m 投影机怒使用双色镜来做分光，所有的红、绿、蓝的光都全部垂i 达其相对的 s l m 上，再利用阊样的原理把三骤色的影像重台起来经国投影镜头投射出去。 出此可以很明显地看出光的使用效率比单片式投影机卷褥好，瞧可以袭现出 更亮的灏面。同时，因为是使用双色镜来做三原色影像蓬合的工作，因此画 第一章绪论 第章绪论 1 1 大屏幕投影显示技术的背景 大瓣纂显示技术主要袁：以c r t 为图像发生源的投影最示、等离子体( p d p ) 姓示和l c d l c o s d l p 微显示光学投影系统。由于c r t 大屏幕显示的体积、重 缀秘亮度受限，p d p 超大羼幕显示受技本和成本限制，蕊l c d l c o s d l p 等投 影显示的芯片分辨率不断提简，整机价格直线下降，市场嗣益扩大“。 l e d 瞄o s d l p 微显示光学投影系统已成为国际大羼幕( 5 0 2 0 0 英寸) 鼹示技 术的主流埘。根据2 0 0 2 年s t a n f o r dr e s o u r c e s 的预测，全球投影显示市场 从1 9 9 8 霉到2 0 0 5 年，总值将从7 2 2 亿美元增长到超避1 7 8 亿茭元”1 。强翦， 几乎所有的国际著名电器厂家( 包括s o n y 、s a n y o 、n e c 、s h a r p 、n a n l 、i o n a l 、 p h i l 。t p s 、t o n s h i b a 、j v c 、t o m b s e n 、 n f o u c u s 、p r o x i 嫩等) 都杰鞋入大羼纂 投影机的研究和生产。2 0 0 2 年已经实用化的5 0 英寸大屏幕投影电视机的亮 度必3 0 0 5 0 0e d 蠢，对比度麓3 0 0 5 0 0 ：l ，已与c r t 电援捉螺当，瞧还 不足以满足h d t v 要求，必须解决许多技术难点。大屏幕投影电视这一技术还 远未成熟。在投影显示系统中，光学弓 擎具囊攀足轻重的 睾雳，它决定了整 个系统的大部分性能参数，包括光亮度、照明均匀性、色饱和度、分辨率以 及对毙疫等。另乡 馋为必学弓l 擎系统主溪经残郝分筑照明系绞楚实现裹亮度、 高均匀性的关键。 l - 1 1 各种类型的光学引擎 从缔构上划分，投影祝可分为使用荦片式投影视移三片式投影祝。单片 式投影机具有维装简单的优点，但是因为是使用单片彩色的察闻光调制器 ( s l y ) ，有透光效率不馕的缺点。同时，因为一个全彩的点需由空间上戏时间 。e 红、绿、蓝3 个基本瓴所组成，所以造成唾颟分辨率戏颜色特性的降低“1 。 三片式s l m 投影枫就可以避免单片式s l m 投影机的缺点”。三片式s l m 投影机怒使用双色镜来做分光，所有的红、绿、蓝的光都全部垂i 达其相对的 s l m 上，再利用阊样的原理把三骤色的影像重台起来经国投影镜头投射出去。 出此可以很明显地看出光的使用效率比单片式投影机卷褥好，瞧可以袭现出 更亮的灏面。同时，因为是使用双色镜来做三原色影像蓬合的工作，因此画 第一章绪论 面上每一个点都是全彩的点，不需要用3 个点的位置才能组成一个全彩的点， 所以画面的分辨率或颜色特性就提高了。 ( 1 ) 三片式光学引擎： 反射式光学引擎目i i i 以三片式为主，三片式是将光源经分光棱镜将光束 分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片l c o s 面板，将投射出的三色 影像经过合光系统加以结合形成彩色影像”1 。就n i k o n 设计的i b m4 - c u b e 光 学引擎结构来看，图1 1 所示，照明系统实现高效均匀的偏振光，照明到 l c o s d m d 上。分色对p 光，合色对s 光。投影物镜实现把s l m 高质量的成像 到屏幕。 图l - l i b i v l4 - c u b e 光学引擎结构 i b m4 - c u b e 光学引擎体积较大、成本也较高，不过由于可以达到较高的 光学效率，又具备高画质的特性，因此主要是朝专业用途发展，主要的产品 以3 v c 的多款投影机为主，除此之外，三片式光学引擎还有c o l o r l i n k 采用 的c o l o r o u a r d 架构、p h i l i p s 的p r i s m 架构，致伸发展的d i c h r o i c p b s 架 构，及u n a x i s 的c o l o r c o r n e r 架构等。共轴式产品有c o l o r l i n k 公司的基 于c o l o r q u a d 的三板式系统、常用三板式透射s l m 系统、i b m 的基于3 p b s 的 三板式系统和基于飞利浦三色棱镜的三板式系统。离轴式产品是n o v a 离轴光 学引擎。 ( 2 ) 单片式光学引擎 单片式色轮( c o l o rw h e e l ) 光学引擎则是以快速旋转的c o l o r s w i t c h 将白 光形成循序的红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画 面，同步形成分色影像，再赭由人眼视觉暂留的特性，最后在人脑产生彩色 2 第一章绪论 的投影画面。类似的技术有：f i e l ds e q u e n t i a lc o l o r 、p h i l i p 所采用的 s c r o l l i n gc o l o r r o t a t i n gp r i s m 架构、及j v c 采用的s p a t i a lc o l o r h o l o g r a m 架构。单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，系统架构比较 简单，因此在成本上较具竞争优势，而且光学引擎的空间也相对较小”1 。然 而目前在技术上面临一些困难，以c o l o rw h e e l 而言，白光经偏极化后的光 源仅为先前的1 3 ，亮度明显降低；此外，由于l c o s 面板得在红、蓝、绿画 面快速的切换下合成影像，因此面板反应速度的要求更高，使得生产的难度 也相形提高”1 。典型的单片式光学引擎有以下几种： ( a ) 飞利浦公司的单板式扫描棱镜光学引擎系统 光路安排如图1 2 所示，光路被分成三路红、绿、蓝( 利用二向色片) ， 每一个颜色光路都有一个扫描棱镜，三个棱镜被安排成相对偏转3 0 。，用来实 现s l m 上三色的空间分离，一个二向色片实现三色合成一个照明光束，光束 进入p b s ，经p b s 实现偏振后，光束进入反射式s l m ，用图像信息来调制光束， s l m 与p b s 将图像反射到投影物镜至屏上。 图1 2 单板式扫描棱镜光学引擎结构 飞利浦单板式背投系统( 1 9 9 9 年) 主要参数： 结构单板s i 。m 和“色卷动”系统 亮度 6 0 0 1 m 4 5 0 1 m ( 1 3 英寸1 o 英寸) 对比度2 0 0 ：1 光源1 2 0 瓦u h p f #2 4 第一章绪论 灰度每种颜色8 b i t 即2 5 6 级狄度 一 解析度1 2 8 0 1 0 2 4 ( s x g a ) ( b ) 三五( t h r e e f i v e ) 公司的单板式l c o s 光学引擎 t h r e e f i v e 光学引擎由于采用c o l o r s w i t c h 作为分色元件，因此使整个 系统结构简单，光学部件减少，成本降低“1 。c o l o r s w i t c h 与传统的机械色 轮时序分光系相比具有明显的优点：没有噪音和振动；容易与s l m 同步；易 于控制的颜色顺序；高透过率低吸收；较小的能量消耗。 ( c ) s p t f 的液晶投影系统 喷气推进实验室( j p l ：j e tp r o p u l s i o nl a b ) 的表面等离子体可调滤光 片( s p t f ) 单板式l c o s 光学引擎，基于s p t f 的液晶投影系统总体评价是：这 一技术正处于试验阶段，其透过率只有6 0 8 0 还不够高，有待进一步提高“。 图1 3 单板式s p t f 光学引擎结构 这一系统的最大优点是比飞利浦系统结构上要简单，光学元件少。系统 的性能与s p t f 的光学性能紧密相关，如果s p t f 技术成熟并且成本低廉，那 么这一技术有很好的应用前景。s p t f 可用于s l m 投影仪，使用它可以简化系 统结构、提高光利用率，个s c r o l i i n gs p t f 由3 片s p t f 组成，可以实现 “色卷动”。可以提高单板s l m 的效率。如图1 3 为s p t f 用于投影系统来产 生“色卷动”，系统需要3 个s p t f 和两个内反射棱镜，从每个s p t f 透过的光 都照到s l m 的1 3 部分。在第一个1 1 8 0 秒，上面的s p t f 只允许透过红光， 而绿、蓝色光被其反射，又被棱镜转向到中间的s p t f ，中间的s p t f 允许绿 4 第一章绪论 光透过，而反射蓝光，被反射的蓝光又被另一个棱镜转向到最下面的s p t f ， 这时，最上面的s p t f 透过红光，中i 司的透过绿光，最下面的透过蓝光。在 s l b l 面板上，与s p t f 透过的光顺序一样，红光在顶部，绿光在中问，蓝光在 底部。在第二个1 1 8 0 秒和在第三个i i s o 秒，与之类似，达到了“色卷动” 的目的。因为s p t f 只对通带范围内的p 偏振光通过，而反射全部的s 光，如 果用另外一组s p t f 置于与其相垂直的位置，就能够调制s 偏振光，所以说， 如果使用6 片s p t f 就可以产生两组卷动的r g b ，同时超过当前3 板s l m 式的 光利用率。 1 1 2 透射式和反射式光学引擎之比较 目前透射式液晶投影显示已趋成熟，但随着空间光调制器分辨率的提高， 必将发生两种情况：一是单位体积上s l m 象素越做越小，如e p s o n 在同样1 3 英寸空间光凋制器上作v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) 、s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) ，x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) 。这 就导致每一象素上的通光孔径越来越小，使投影系统光效率大大降低，s x g a 或u x g a 就更不太可能了。另一种做法是保持象素大小一定，而增大空间光调 制器面积，如s o n y 公司，v g a 和s v g a 为1 3 英寸，x g a 为1 8 英寸。空间光 调制器面积增大表示系统变大，成本显著增加，重量和体积也增大。可见， 随着分辨率的提高( 这是必然趋势) ，在光学系统体积重量限制的同时又不牺 牲光亮度是一对矛盾，解决这对矛盾已成为一个急迫问题1 。 图1 4 透射式s l m 投影显示光学引擎 第一章绪论 光透过，而反射蓝光，被反射的蓝光又被另一个棱镜转向到最下面的s p t f ， 这时，最上面的s p t f 透过红光，中i 司的透过绿光，最下面的透过蓝光。在 s l b l 面板上，与s p t f 透过的光顺序一样，红光在顶部，绿光在中问，蓝光在 底部。在第二个1 1 8 0 秒和在第三个i i s o 秒，与之类似，达到了“色卷动” 的目的。因为s p t f 只对通带范围内的p 偏振光通过，而反射全部的s 光，如 果用另外一组s p t f 置于与其相垂直的位置，就能够调制s 偏振光，所以说， 如果使用6 片s p t f 就可以产生两组卷动的r g b ，同时超过当前3 板s l m 式的 光利用率。 1 1 2 透射式和反射式光学引擎之比较 目前透射式液晶投影显示已趋成熟，但随着空间光调制器分辨率的提高， 必将发生两种情况：一是单位体积上s l m 象素越做越小，如e p s o n 在同样1 3 英寸空间光凋制器上作v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) 、s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) ，x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) 。这 就导致每一象素上的通光孔径越来越小，使投影系统光效率大大降低，s x g a 或u x g a 就更不太可能了。另一种做法是保持象素大小一定，而增大空间光调 制器面积，如s o n y 公司，v g a 和s v g a 为1 3 英寸，x g a 为1 8 英寸。空间光 调制器面积增大表示系统变大，成本显著增加，重量和体积也增大。可见， 随着分辨率的提高( 这是必然趋势) ，在光学系统体积重量限制的同时又不牺 牲光亮度是一对矛盾，解决这对矛盾已成为一个急迫问题1 。 图1 4 透射式s l m 投影显示光学引擎 第章埔踣 上鼹避透射式s l m 投影显承巍学弓 攀，l 褥2 为光学日i 擎麓照绢系缱， 奴撼光涎、反光镳、滤必靖彝匀光系统。3 是分照片，4 是反巍镱，5 熬会色 棱镜，6 楚s 踊，7 楚投影褥穗。潦瓣式液潞投影鬣示静靛巍是；一方礴系统 松散，体积大，爨擞重，弱一方嚣；更羹臻的怒空趣光调燧爨的开口零低。 鞴黼熟鬣礴承平落其靛徽蒯o ，其余4 0 被驱动电辩所占霸。卣予透瓣兜 极大潞分被壑蚓她调铡嚣i ! 乏牧，圆她空闽光耀划器鲍丹漱艇成为一个溅感。 黼璐寄蠢壤、离分辨率蕺l 棒襁小露鬣轻瀚授彰蘸示系统必然是淘汰透辩藏。 列对逐黠式渡潞投影鼹示不础觉殿的弊蠛，考虑发射妓鲍光学引攀。如 灏1 5 瓣示酌p h i l i p 棱镜先学雩 擎系统怒耱簸撵鞠蔽射式麓澎学弓 攀。这 霉孛系缝结橡紧凌，体积小，蓬量蛏，更重要的是i 上o s i n d 被覆熬农反射麒下， 褥个象索w 眈遴黼斌骰褥小，翻离燮接静邋跫孔径，开珏率哥这9 0 懿上， 鼹没霄墩收摭热警系列翘题。对解决瓣鞭提燃熄矛赠，潞离分辨率，蕊亮 腹投影露示是最佳魏选释。经藏射式显示麓巍学系统臻臻菱杂纯，菜黧关键 阏麟懑泰然决，特剐是较大魍艘激溺鲍镶缀摈期满穰擞宽反射豢的分氆鞠含 色舔统，酃需敲壤论上深入研究，才徽提国设计，先辩反瓣式液黼投影嚣示 戆莱些翊题终秘步讨论。 图1 。5 反射式p h i l i p 棱镜光学弓i 擎系统 菱煞戎窆露巍瀵慧漂戆滚菇畿在爱瓣按戆下嚣。嚣爱辩垂零襄龄霹逮巍， 不满另外制作阻挡层，网丽每+ 熬素的丽积可以做的比透射式的小而遇光孔 径大。菠辩武滚菇羧影鬟暴夔竞黯示意撩藏1 5 ， 敷2 魏淹擎攀 擎黪慧聪系 统，包括光源、发光镜、滤光片和匀光系统。3 ，5 是分色台色棱镜，6 魁s l m ， ? 蹩投影褥镜。蓑藤理蠹；金鬓藩铯耱汀笈窭懿巍经慧骥系统蔫，天裁黉穰 毒 第一章绪论 振分束棱镜( p b s ) ，变成s 偏振光，s 偏振光经分色棱镜后，分成红绿蓝三基 色光，分别照射到对应的空间光调制器上，经电信号调制，空问光调制器反 射后，变为p 偏振光，通过合色棱镜合色，再次通过偏振分光棱镜反射，由 投影透镜系统投至屏幕上成象。 反射式液晶投影机的偏振分束棱镜与透射式的功能一样，但是为提高光 能利用率，入射到分束棱镜的角度较大，使得宽角度偏振分束棱镜的设计更 加困难。偏振分束棱镜的功能为：透过p 偏振光，反射s 偏振光，因此投影 少去的偏振方向为p 偏振方向。此p 偏振光会一小部分被投影透镜反射回来 成为杂散光，再次通过偏振棱镜照到空间光调制器上，若照到空间光调制器 暗态的象素，则其偏振方向不受调制而再次投影出去，成为杂散光而降低对 比度。此现象在透射式液晶投影机小并不明显。可能的解决办法是在偏振棱 镜与投影镜头之间加上四分之一波片，则p 光两次通过波片成为s 光，被偏 振棱镜反射掉，不再进入空间光调制器。 1 2 问题的提出 大屏幕投影电视的目标是实现高亮度、高均匀性、高分辨率、高对比度、 高色饱和度“”1 。另外，在降低体积、重量和成本方面都有非常诱人的应用 前景“”咖。对大屏幕投影显示系统进行性能改进和评价，主要应考虑以下因 素： 1 ) 亮度：系统的输出光亮度即屏幕上的流明数，这是投影显示系统产生 图像亮度的主要尺度。评价方法是根据美国国家标准协会( a m e r i c a n n a t i o n a ls t a n d a r dl n s t i t u t e ) 制定的a n s i 标准，测量屏幕上2 5 块区域上 的1 3 点的平均亮度，从而得到的满屏的平均光通量。显示亮度直接由照明亮 度决定，而照明亮度直接和光能利用率相关，所以提高光能利用率是提高亮 度的方法“。 2 ) 分辨率：有两种概念，一是指显示容量，即显示图像的象素，即我们 平常说的解析度v g a ( v i d e og r a p h i c sa r r a y ，6 4 0 * 4 8 0 ) 、s v g a ( s u p e rv i d e o g r a p h i c sa r r a y ，8 0 0 * 6 0 0 ) 、x g a ( e x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ，1 0 2 4 7 6 8 ) 、 s x g a ( s u p e re x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ，1 2 8 0 9 6 0 ) 、u x g a ( u l t r a e x t e n d e d g r a p h i c sa r r a y ，1 6 0 0 1 2 0 0 ) 等。这种概念不直接反映屏幕尺寸大小的影响， 对个较小屏幕上的高分辨率图像在较大屏幕上分辨率就会降低，从这一点 第一章绪论 振分束棱镜( p b s ) ，变成s 偏振光，s 偏振光经分色棱镜后，分成红绿蓝三基 色光，分别照射到对应的空间光调制器上，经电信号调制，空问光调制器反 射后，变为p 偏振光，通过合色棱镜合色，再次通过偏振分光棱镜反射，由 投影透镜系统投至屏幕上成象。 反射式液晶投影机的偏振分束棱镜与透射式的功能一样，但是为提高光 能利用率，入射到分束棱镜的角度较大，使得宽角度偏振分束棱镜的设计更 加困难。偏振分束棱镜的功能为：透过p 偏振光，反射s 偏振光，因此投影 少去的偏振方向为p 偏振方向。此p 偏振光会一小部分被投影透镜反射回来 成为杂散光，再次通过偏振棱镜照到空间光调制器上，若照到空间光调制器 暗态的象素，则其偏振方向不受调制而再次投影出去，成为杂散光而降低对 比度。此现象在透射式液晶投影机小并不明显。可能的解决办法是在偏振棱 镜与投影镜头之间加上四分之一波片，则p 光两次通过波片成为s 光，被偏 振棱镜反射掉，不再进入空间光调制器。 1 2 问题的提出 大屏幕投影电视的目标是实现高亮度、高均匀性、高分辨率、高对比度、 高色饱和度“”1 。另外，在降低体积、重量和成本方面都有非常诱人的应用 前景“”咖。对大屏幕投影显示系统进行性能改进和评价，主要应考虑以下因 素： 1 ) 亮度：系统的输出光亮度即屏幕上的流明数，这是投影显示系统产生 图像亮度的主要尺度。评价方法是根据美国国家标准协会( a m e r i c a n n a t i o n a l s t a n d a r dl n s t i t u t e ) 制定的a n s i 标准，测量屏幕上2 5 块区域上 的1 3 点的平均亮度，从而得到的满屏的平均光通量。显示亮度直接由照明亮 度决定，而照明亮度直接和光能利用率相关，所以提高光能利用率是提高亮 度的方法“。 2 ) 分辨率：有两种概念，一是指显示容量，即显示图像的象素，即我们 平常说的解析度v g a ( v i d e og r a p h i c sa r r a y ，6 4 0 * 4 8 0 ) 、s v g a ( s u p e rv i d e o g r a p h i c sa r r a y ，8 0 0 * 6 0 0 ) 、x g a ( e x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ，1 0 2 4 7 6 8 ) 、 s x g a ( s u p e re x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ，1 2 8 0 9 6 0 ) 、u x g a ( u l t r a e x t e n d e d g r a p h i c sa r r a y ，1 6 0 0 1 2 0 0 ) 等。这种概念不直接反映屏幕尺寸大小的影响， 对个较小屏幕上的高分辨率图像在较大屏幕上分辨率就会降低，从这一点 章绪论 上谎，另一种分辨率獠念更为巍观，宅矗接给浅显示黼像单位尺寸内的显示 线数或点数。由于系统投影物镜具有一定的放大倍数，因而不同的系统必须 在相同豹显示豳像面积内鞭据稀准显示图像进行测量跣较。 3 ) 对比度：测量屏幕上全亮点与全黑点的亮度，可得出系统的对比度为 全亮全黑。 4 ) 均匀性：根据a n s i1 3 点( 中阳j9 点和边缘4 点) 标准测量，除可获 褥全屏光通量舞，还可获得玛匀性= ( 。一i ：) i 。，。 其中：t 为某一点的亮度，i 为1 3 点平均亮度。 5 ) 色魄和度：稽基示图像的色域与色度蟹标及其精度，强及彩色驻示的 颜色数。 重爨在产麓性能中一觳不伟为特殊的指标，但是投影祝在重量上瀚交讫 难影响绒改变麓产品的来来。在一般分灏方法中，数据投影机可分为掌上型 ( 4 磅戳下) ，箱便携投影枫( 4 磅一i o 磅) ，可携带塑投影机( 1 0 磅一2 0 磅) 和固定安装型( 2 0 磅以上) 等多种( 1 磅相当于0 4 5 3 6 千克) 。由于投影机 的便携特性越来越重要，投影税生产厂家在重艇指标上狠下功夫，甚前已经 商3 磅照的机器问世。便携式投影机在飞速发展，在投影机整体市场中，将 会占据较大的份额“。 以嫩新的投影显示系统为侧，照明光学效率为6 0 、照明均匀性 9 5 ， 分色合住系统效率7 0 ，空间调嗣器开口率9 0 ，投影物镜效率8 5 ( 十来个 9 9 透射率的面) 、畸变 7 0 0 0 3 0 0 0 7 0 0 0 3 0 0 0 7 0 0 0 3 0 0 0 5 0 0 0 色均衡 差 一般出色 造价( $ ) l o o 一2 0 01 0 0 2 0 0 3 3 0 4 0 0 氙灯是利用氙气的弧间放电发光的光源，色温5 7 0 0 k ，与自然光非常接 近的连续谱白色光源。氙灯的弧长可达到l m m ，发光面积小，近似为点光 源，反射聚光镜效率可提高，色均衡性好，有出色的色再现。 其发光光谱如图2 4 所示： 第二章照叫系统的漩计与改进 缓鹰：乳毗： 图2 4 典型的氙灯发光光谱 盒属卤化物灯：以d y n d c s 照明系为主用于投影显示“1 ，大功率以 1 5 0 w 一3 5 0 w 为主，弧长3 - 7 m m 。用高频交流i n - t o 系可达到8 3 1 m w ，i n t m 系可达到9 3 1 m w 。2 5 0 w 的金属卤化物灯弧长可由5 - 7 m m 减到3 m m ，直流驱 动，1 5 0 w 可减小弧长至1 5 m m ，i o o w 可减小弧长至1 4 r a m 以下，5 0 w 可小于 1 2 m e 。光谱分布如图2 5 所示： l j 。0 o 其它性能如下表： 蕊燕；n m l 图2 5 典型的金属卤化物灯发光光谱 第二章照明系统的设计，改进 功率弧长l u m e n色温寿命 维持率 ( w )( m m ) ( 1 m ) ( k )( h ) ( ) 1 0 0 1 46 0 0 08 5 0 04 0 0 0 7 5 ( 4 0 0 0 h ) 5 01 23 2 0 05 5 0 04 0 0 0 7 5 ( 4 0 0 0 h ) 超高压水银灯：1 5 0 2 0 0 w 的超高压水银灯能够产生全部可见光范围的波 长，而且连续，在开发投影系统之初即被考虑，因为当时对超高压水银灯缺 乏信赖而未采用，1 9 9 5 1 9 9 8 年得到发展“1 。发光光谱如图2 6 所示。 图2 6 典型的超高压水银灯发光光谱 超高压水银灯可作为投影用光源有以下三个原因 1 ) 2 ) 3 ) 在增大气压、增加电压、保证效率不变的情况下，可减短弧长。 发光集中于弧的中心，所以光学系统的光效率高。 1 0 0 一1 3 0 w1 2 m m 1 5 0 一1 6 0 w1 4 m m 1 8 0 2 0 0 w1 6 m m 随着使用时问的增加，u t t p 灯的亮度稳定性比较好。 2 2 2 基于实际光源的体光源模型 由于短弧灯的位置、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 1 9 第二章照明系统的设计，改进 功率弧长 l u m e n色温寿命 维持率 ( w )( m m )( 1 m )( k )( h )( ) 1 0 0 b 7 ) ；对角线尺寸为c 7 ；介质的折射率为1 1 ； 长度为l 7 ；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。；：。r c 。i n ( 皇! 竺) ：。：i n t 【竺丛! ：；! 堕】，这 罩的i n t 【】表示取整。从而，面光源在方棒束端的总的光照度 i = 笠i 素f k i w 油埘 方棒末端的照明均匀性 u ：鱼： i ” ) l ( a 沙7 7 ) ，( 屈陟7 其中，i e d g c 为照射到方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； 屈= a r c t a n ( 竺! 手上) ( m = o ，l ，2 。) q ：a r c t a r c t a n ( 型型掣) 仰一0 ，1 ，2 m 。) 口，= 了一) ( m = ，l ，2 川。) 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2 1 5 所示。 图2 1 5 方棒照明系统l i g h t t o o l s 设计结果 p p一v _：女j：r-一f 兰业芝 第二章照l i ) j 系统的设计与改进 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 线在模拟空间光调制器上得到了优化的设计结果。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 1 5 ，5 7 2 ，光能利用率为7 9 的照明输出，能够满足投影显示对照 明系统的指标要求。 2 4e t e n d u e 量分析与照明系统的改进 2 4 1 光学引擎的e t e n d u e 量分析 在投影显示系统中，光源发出的光经过光学系统照明空间光调制器，必 有投影物竞投射到屏幕上形成图像。因而要求光源有一定的色温维持显示图 像的白平衡，有一定的光谱分布形成满意的色饱和度，以及考虑寿命、体 积、重量、安全性等重要性能“。但最重要的是要求光源具有较高的发光 强度和光能利用率，而一个光学系统的光能利用率和非成像光学中的光学扩 展量( e t e n d u e ) 直接相关。面积a 内的辐射光通过折射率为i q 的介质在q 立体角范围内系统的光学扩展量( e t e n d u e ) 定义为 e = | i n c o s o d a d q j j 对于平面发光体，光束的形状影响其e t e n d u e 量。 圆孔径：e = 剃s i n 2 q ，2 矩形孔径：e = 4 a s i n 口s i n 届，2 图2 1 6 面积a 内的辐射光束的光学扩展量 1 、光源和反光碗输出的e t e n d u e 量 第二章照l i ) j 系统的设计与改进 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 线在模拟空间光调制器上得到了优化的设计结果。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 1 5 ，5 7 2 ，光能利用率为7 9 的照明输出，能够满足投影显示对照 明系统的指标要求。 2 4e t e n d u e 量分析与照明系统的改进 2 4 1 光学引擎的e t e n d u e 量分析 在投影显示系统中，光源发出的光经过光学系统照明空间光调制器，必 有投影物竞投射到屏幕上形成图像。因而要求光源有一定的色温维持显示图 像的白平衡，有一定的光谱分布形成满意的色饱和度，以及考虑寿命、体 积、重量、安全性等重要性能“。但最重要的是要求光源具有较高的发光 强度和光能利用率，而一个光学系统的光能利用率和非成像光学中的光学扩 展量( e t e n d u e ) 直接相关。面积a 内的辐射光通过折射率为i q 的介质在q 立体角范围内系统的光学扩展量( e t e n d u e ) 定义为 e = | i n c o s o d a d q j j 对于平面发光体，光束的形状影响其e t e