（光学工程专业论文）反射式投影显示光学系统的理论分析和应用研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 投影显示技术是实现大屏幕显示系统的主要方法之一，在当今飞速发展的信息 社会中发挥着越来越重要的作用。光学系统是投影显示系统的主要组成部分，决定 着系统的亮度、对比度、分辨率、均匀性及色彩等各种性能，因而一直是投影显示 技术研究中的重点。 投影显示光学系统的设计，以提高系统的能量利用率、照明均匀性、对比度等 性能为主要目标。本文在对投影显示技术的发展现状，尤其是各种新型的反射式微 型空间光调制器的工作原理、光源技术、各种投影光学系统的结构和原理、以及各 种光学元件的工作原理和设计方法深入研究的基础上，将非成像光学理论引入到投 影显示系统的设计中，为投影显示光学系统的设计提供了新的理论依据和优化方法， 并针对反射式投影显示光学系统设计中的能量利用率、偏振现象等若干问题进行了 详细的讨论。 文章首先阐述了非成像光学中的光学扩展量概念，对投影显示光学系统的扩展 量的传递进行了分析。通过对光源的光学扩展量的计算以及扩展量与输出光通量之 间关系的详细讨论，提出了以光学扩展量和光源空间光强分布为依据，优化照明光 学系统的方法。在此基础上总结了复眼照明系统和方棒照明系统的设计方法，建立 了照明系统的扩展量分析模型，并对这两种系统的扩展量与能量利用率的关系进行 了深入的分析。 投影显示光学系统的偏振作用分析是本文工作的另一个重点。文章在对各种偏 振光学元件的理论分析的基础上，建立了l c o s 投影系统的数学模型并通过对照明光 偏振态的追迹分析，提出了引入波片改进系统偏振性能、提高对比度的理论设计方 法，并给出了针对实际的三片式l c o s 投影系统的计算结果。 在理论研究的基础上，文章的最后给出了单片式d l p 背投影光学引擎和三片式 l c o s 背投影光学引擎的详细设计过程和设计结果，对系统中的各种关键光学元件和 整个系统结构的设计方法、d l p 投影系统的对比度和色度学特性等问题进行了深入 讨论，并分析了投影显示技术的未来发展趋势。 关键词：投影显示技术非成像光学光学扩展量偏振光数字光处理l c o s 塑坚查兰堕主兰垡笙兰 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 l le f f e c t i v ew a yt or e a l i z e l a r g es c r e e nd i s p l a y s y s t e m s a st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t i np r o j e c t o r s ，o p t i c a ls y s t e md o m i n a t e s s y s t e m b r i g h t n e s s ，c o n t r a s t ，u n i f o r m i t y , r e s o l u t i o n ，a n dc h r o m a t i cp e r f o r m a n c e ，a n db e c o m e st h e f o c u so f t h ed e v e l o p m e n t o f p 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 e k e yo b j e c t i v eo f p r o j e c t i o nd i s p l a yo p t i c si st oi m p r o v es y s t e me n e r g ye f f i c i e n c y ， u n i f o r m i t ya n dc o n t r a s t i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fn o n - i m a g i n go p t i c si si n t r o d u c e di n t o t h ed e s i g no fp r o j e c t i o ns y s t e ma n dp r e s e n t san e wm e t h o df o rt h ee v a l u a t i o no fo p t i c a l s y s t e mp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ed e t a i l e dr e s e a r c ho nc u r r e n t p r o j e c t i o nd i s p l a y t e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yt h er e f l e c t i v es p a c i a ll i g h tm o d u l a t o r s ( s l m ) ，l i g h ts o u r c e s ，a n d p r i n c i p l e sa n dd e s i g nm e t h o d sf o ra l lk i n d so fp r o j e c t i o no p t i c sa n dk e yo p t i c a le l e m e n t s s e v e r a l i s s u e s ，i n c l u d i n g t h e e n e r g ye f f i c i e n c y a n dp o l a r i z a t i o ne f f e c ti nr e f l e c t i v e p r o j e c t i o nd i s p l a ys y s t e m s ，r r es t u d i e di nd e t a i l t h ec o n c e p to f o 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 , a n dt h et r a n s i t i o n o fe t e n d u ei n p r o j e c t i o no p t i c a ls y s t e mi s t h e nd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e d a n a l y s i so nl a m p se t e n d u ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n e t e n d u ea n d o u t p u tl u m e n s ，i ti s f o u n dt h a tt h ee t e n d u ea n de n e r g yi n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fl i g h ts o l l r c cs h o u l db e c o n s i d e r e dt o g e t h e rt of o r ma no p t i m i z e dp r o j e c t i o no p t i c a ls y s t e m t h e nt h ed e s i g n m e t h o d so f l e n s a r r a y ( f l y e y el e n s e s ) a n dl i g h t p i p e i l l u m i n a t i o n s y s t e m s a r e p r e s e n t e d ，a n dm a t h e m a t i cm o d e l sa r ee s t a b l i s h e dt og e t ac l e a ri m p r e s s i o no fs y s t e m e t e n d u ea n d e n e r g ye f f i c i e n c y t h er e s e a r c ho np o l a r i z a t i o ne f f e c ti nl c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) p r o j e c t i o n d i s p l a ys y s t e m si sa l s oa l li m p o r t a n tw o r k o ft h i sp a p e r at h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c m o d e li sb u i l tt ot r a c et h ep o l a r i z a t i o ns t a t eb a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f a l lk i n d so f p o l a r i z i n ge l e m e n t s t h ee f f e c t so f w a v ep l a t e sa n do p t i c a lt h i nf i l m sa r ea l s oa n a l y z e d h e r eb a s e do nt h et h e o r yo fj o n e sm a t r i xa n dv e c t o ro p t i c s w i t ht h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n r e s u l t so fs y s t e m sw i t h w i t h o u tw a v ep l a t e s ，an e w m e t h o do f a p p t y i n gw a v ep l a t e sp r o p e r p h a s ec h a n g e st ol c o sp r o j e c t i o nd i s p l a ys y s t e m ss h o w s ag r e a ta d v a n t a g eo fi m p r o v i n g h 浙江大学博士学位论文 s y s t e mc o n t r a s t a tt h ee n do ft h i s p a p e r ，t h ed e t a i l e dd e s i g no fs i n g l e p a n e l d l pr e a r - p r o j e c t i o n d i s p l a yo p t i c a le n g i n ea n dt h r e e p a n e ll c o sr e a r - p r o j e c t i o nd i s p l a yo p t i c a le n g i n ea r e p r e s e n t e d ，t o g e t h e rw i t h t h ed i s c u s s i o no nt h e d e s i g nm e t h o do fa l l t h ek e yo p t i c a l e l e m e n t si nt h e s et w os y s t e m sa n dc o n t r a s ta n dc h r o m a t i cp e r f o r m a n c eo fd l pp r o j e c t o r f u r t h e rm o r e ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do f p 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 si sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：p r o j e e t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g y , n o n i m a g i n i n go p t i c s ，e t e n d u e ， p o l a r i z a t i o n ，d l p , l c o s 1 1 1 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 视觉是人们认识世界的主要手段，人类从外界获取的信息近8 0 来自于视觉反 应。随着信息时代的到来，信息量的爆炸式的增长，显示技术作为信息的窗口和上 下“信息高速公路”的阶梯，在人类的日常活动、工作中发挥着越来越重要的作用。 显示技术蓬勃发展始于二十世纪六十年代初期，随着第三次科技革命的兴起， 特别是半导体技术的发展，大量新型的显示器件涌现，图像质量也极大提高。1 9 6 0 年，激光器问世，随即进入显示领域；1 9 6 9 年出现的电致发光显示器、1 9 6 6 年出现 的等离子体显示器以及1 9 6 8 年出现的液晶显示器，使平板显示的发展进入了新的阶 段；计算机技术的出现和飞速发展，为显示技术提供了强大的技术支持和广阔的应 用领域；新型显示技术不断诞生并投入实用，如l e d 技术、d m d 技术、f e d 技术、 全息技术等。 1 1 研究背景 显示技术可以分为直接显示( d i r e c tv i e w ) 与投影显示( p r o j e c t i o nd i s p l a y ) 两 类。直接显示技术主要包括阴极射线管( c r t ) 、液晶平板显示( l c d ) 、发光二极管 ( l e d ) 、电致发光器件( e l ) 、场致发光器件( f e d ) 、真空荧光显示( v f d ) 、等 离子体显示( p d p ) 等【i 】1 4 1 。 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，并开始在家用多媒体视昕领 域内占据越来越大的市场。 目前，直接型显示技术中可以实现4 0 英寸以上大屏幕显示的技术包括l c d 、 p d p 、l e d 阵列显示系统等。其中l e d 显示系统通常用来实现公共场合的超大型显 示设备，适合图形符号的显示，用于图像显示时，其缺点是分辨率低、颜色失真。 l c d 和p d p 平板显示器在图像色彩、分辨率和系统体积上具有很大优势，而且随着 制造工艺的不断进步和生产成本的降低，5 0 英寸以上的l c d 和p d p 显示系统已经 开始进入市场。但受技术条件的限制，目前这两种技术要实现6 0 英寸以上的图像显 第一章绪论 示仍然非常困难。 投影显示技术是实现大屏幕显示系统的一种有效途径阡f 5 口 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【6 】。 发光型投影显示是指在显示器件上直接形成高亮度的图像，再由光学系统成像 在屏幕上观看的显示方式，如c r t 投影显示【7 1 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 g 】。主要包括l c d 、 l c l v ( 液晶光阀) 、l c o s 、d l p 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( 如 图1 1 所示) 。 图1 ，1 调执行投影显不系统的组成 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 特点是体积、重量小，亮度高，画面尺寸百英寸以上，可达3 0 0 0 到1 0 0 0 0 流明以 上，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l c d 投影机，但近年来随着d l p 技术州的成 熟，d l p 投影产品所占有的市场份额迅速上升。相比于l c d 投影技术，d l p 前投系 统在小型化和光学稳定性上更其优势。 背投影是指投影机光学引擎和观察者位于屏幕两侧的投影系统，光源发出的光 线透过屏幕进入人眼。背投影机广泛应用于4 0 英寸到6 0 英寸左右的家用多媒体电 视产品，7 0 英寸到1 2 0 英寸之间的工程系统及超大屏幕的拼接墙系统a 其特点是投 浙江大学博士学位论文 影光路空间封闭，图像质量受外界光强影响小，因而对系统亮度的要求不象前投影 系统那样高，通常在4 0 0 到1 0 0 0 流明左右。背投系统的最大缺点是体积较大，迫切 需要发展新型的光路结构以满足家庭应用的要求。长期以来c r t 背投影机一直占据 着主要的背投产品市场，但随着l c d 、l c o s 和d l p 等技术的发展，在图像质量上 显示出的明显优势及价格的不断下降，l c d l c o s d l p 背投影电视已经开始逐步取 代c r t 背投产品成为该市场的主力。 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。这 种方法可以称为时间分色法。对于采用r 、g 、b 作为三基色的系统，这种方法通常 要求显示器件的显示频率是图像的3 倍、6 倍或者更高。由于调制器在不同时刻显示 不同颜色的图像信号，因而在任一时刻只能利用一种颜色的照明光，导致系统能量 利用率较低。三片式投影显示系统中，每一显示器馋分别显示r 、g 、b 三基色中的 一种颜色的图像信息，通常采用空问分色厶色的方法，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结构将 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 括背投影电视和前投家庭影院系统。前者包括c r t 、l c d 、l c o s 、d l p 等背投影产 品，后者包括低端的l c d d l p 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l c d d l p 投影机等。商务应用市场主要包括如销售、展示、会议、培训等 第一章绪论 应用方向，其产品包括各种前投l c d d l p 投影机等。小型公共场合，如多媒体教室 等，主要应用l c d 前投产品。而高端应用领域，如控制中心、模拟系统等，对投影 机的各种性能有较高的要求，常见的产品有各种高性能的l c d d l p 背投影机等。 投影显示市场拥有每年上百亿美元的产值，并且未来几年晕，投影显示技术的 市场将继续高速增长。据预测，到2 0 0 7 年，投影显示市场的总产值将从2 0 0 1 年的 1 1 8 亿美元增长到1 9 2 亿美元( 如图1 2 所示) 1 l l o 由于产品价格的不断下降，实际 投影系统的总销售熟练的增长速度将高于总产值的增长速度。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c r t 投影技术将逐渐被日 趋成熟的l c d d l p l c o s 投影显示技术所取代，投影显示市场的争夺也将逐渐从 l c d 、d l p 等技术与c r t 技术问的竞争向液晶投影技术与d l p 投影技术间的竞争转 变。 图1 2 投影显示市场产值的发展趋势 1 2 应用于投影显示的反射式空间光调制器 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型t f t - l c d 器件【1 3 】，其尺寸在1 英寸左右， 分辨率在s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) 到x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 或者w x g a ( 1 2 8 0 7 6 8 ) 等。 经过长期的发展，l c d 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 4 浙江大学博士学位论文 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【1 4 】。 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l c l v 、l c o s 器件和基于m e m s 技术的d l p 器件等。相比于透射式的 t f t - l c d 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，t f t _ l c d 的像素开口率在6 0 左右，而l c o s 和d l p 器件的开 口率可以达到9 0 ) ，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o 7 英寸的t f t - l c d 器件可以实现1 0 2 4 7 6 8 像素的分辨率，而相 同尺寸的l c o s 器件可以实现1 2 8 0 x1 0 2 4 甚至更高的分辨率。 光学系统设计时，由于反射式器件的入射光和出射光位于器件的同一侧，光路 发生重叠，为区分照明光路和投影光路，应用反射式s l m 的投影光学系统通常需要 引入额外的光学元件，或采用特殊设计的光路结构。 1 2 1 l c o s 器件的工作原理 l c o s ( 1 i q u i dc r y s t 出o ns i l i c o n ) 是一种新型的反射式液晶显示器件，与t f t - l c d 的液晶层工作原理相似，利用液晶分子在外加电场的作用下分子排列方向发生变化， 产生双折射效应的特性，实现对输入光的偏振态的调制。图1 3 给出了经过定向后的 液晶盒中液晶分子指向矢的排列状态。图1 4 给出了t f t o l c d 液晶层的工作示意图。 未加电压时，液晶分子的指向矢成螺旋态分布，因而具有旋光性，入射光的偏振态 经液晶层后旋转9 0 0 ，因而能够通过梭偏器，液晶器件呈亮态。当液晶层两侧所加电 压超过液晶工作所需阈值时，液晶分子沿电场方向排列，不再具有旋光特性，因而 入射光经过液晶层偏振状态不变，无法通过检偏器，液晶器件工作在暗态。 与t f t - l c d 器件驱动方式不同，l c o s 结合大规模集成电路工艺在硅片上直接 实现驱动电路，并采用c m o s 技术将有源像素矩阵制作在硅衬底上，然后在硅片表 面上制造液晶盒，这样不仅避免了t f t - l c d 的像素开口率低的问题，易于实现更小 的像素尺寸，从而获得更高的分辨率，而且可以将驱动芯片与显示器件集成在一起， 大大简化了外围电路的复杂性。图1 5 给出了l c o s 器件的结构图。 第一章绪论 图1 3 扭曲向列液晶分子指向矢的排列 图1 4t f t - l c d 液晶层工作示意圈 e 跚媾蓉嘏 图1 5l c o s 器件基本结构图 由于入射照明光和出射信号光位于芯片的同一侧，为了区分两个光束，l c o s 投 影显示系统通常利用入射光和出射光不同的偏振态，引入p b s 棱镜实现光路的分离a p b s 棱镜利用多层薄膜实现对s 光的高反射率和p 光的高透过率a 系统基本工作原 浙江大学博士学位论文 理如图1 6 所示。入射照明光的偏振态为s 态。暗态时，l c o s 器件对入射光的偏振 态没有调制作用，出射光返回p b s 时再次被反射，光能不能进入投影物镜而到达屏 幕。而亮态时，入射光在l c o s 器件的调制下，由s 态偏振光转变为p 偏振光( 相 对于p b s 器件) ，因而出射光返回p b s 时发生透射，最后经过投影物镜到达屏幕。 l i g h ts o u r c e p b s ( a ) o ns t a t e p b s ( b ) o f f s t a t e 图1 6l c o s 器件图像显示的基本工作原理 1 2 2d m d 器件的工作原理 d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ，数字微镜器件) 是由美国德州仪器公司提出 的一种全数字的反射式空间光调制器，是d l p ( d i g i t a l l i g h t p r o c e s s i n g ，数字光处理) 技术中的核心器件【1 5 】 2 0 】。 d m d 芯片是利用m e m s 技术制造的微型反射镜阵列 2 1 埘。每个芯片上集成了 数十万到1 3 0 万个方形的微型反射镜，每个反射镜为一个像素。新一代d m d 器件的 反射镜单元的尺寸为1 3 7 微米，反射镜间的问隔为o 8 微米。图1 7 和1 8 分别给出 了d m d 的反射镜阵列结构和单位像素的基本结构。 与液晶显示器件不同，d m d 器件并不改变入射光的偏振态，而是通过调制照明 光的反射方向实现图像显示。如图1 9 所示，工作时，每个像素的支撑杆在电极电压 的控制下法中转动，进而带动微反射镜绕垂直于照明光入射面的轴发生转动，从而 实现对反射光的方向的调制。早期的d m d 芯片的反射镜转动角度为l o 。，新一代 的d m d 器件的反射镜转动角度达到了1 2 。，可以在系统结构不变的基础上获得更 高的亮度。 第一章绪论 图1 7d m d 芯片的反射镜阵列 图1 8d m d 器件的像素的基本结构 图1 9d m d 器件调制照明光反射方向的基本原理 浙江大学博= 学位论文 作为反射式空间光调制器，应用d m d 芯片的投影系统同样需要采用特定的方法 实现照明光路和出射光路的分离。从图1 9 中可以看出，采用远心光路结构时，为获 得最大的能量利用率，照明光束和亮态光束应正好相切。由于芯片本身具有一定的 大小，在距离芯片比较近的地方，不同位置像素的亮态光和照明光会发生严重的重 叠。为了实现亮光束的分离，投影物镜的后工作距必须非常大，才能不至于对照明 光路产生遮挡。这样必然会导致系统结构尺寸变大，设计难度增加。 为解决这一问题，一种方法是采用非远心或离轴照明结构，增大照明光束与亮 态光束间的夹角，因而在较短的距离上就能实现两光束的完全分离，从而缩短投影 物镜的后工作距。这种方法还有利于提高系统亮度，常应用于d l p 正投影显示系统。 另一种方法是引入t i r ( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ) 棱镜 吲。如图1 1 0 所示的t i r 棱镜工作原理图，t i r 棱镜利用了光在从高折射率入射到空气中时会发生全反射的性 质，两块棱镜相邻面之间有厚度为几个微米左右的空气隙，棱镜的角度经过详细的 计算以保证照明光束在该面上发生全反射，而亮态出射光束在该面上不满足全反射 条件，因而发生透射。为了提高能量利用率，两块棱镜在该面上镀有增透膜，以提 高亮态光束的透过率。而由于薄膜的存在不能改变全反射条件，照明光在该面上依 然发生全反射。 图1 1 0t i r 棱镜的工作原理 l c o s 器件通过控制对光偏振态的调制程度实现灰度图像的显示。加在像素上的 电压不同，液晶分子的排列状态也不同，因而照明光经过像素时偏振态的改变也不 同，导致投射过p b s 的光的强度相应变化，在屏幕上形成不同亮度的图像。而d m d 是全数字型的器件，每个微型反射镜只有正负两种转动状态，因而是利用对处于亮 9 第一章绪论 暗态的时间比例的调制实现灰度图像的显示。j ：作时，每一个反射镜在一秒钟内发 生数千次转动，处于亮态的时间越长，则像素表现出的亮度越高。而反射镜处于暗 态的时间越长，则像素的亮度越低。通过这种方法，d m d 芯片可以实现高达1 0 2 4 级的灰度显示。 相比于t f t - l c d 器件，d m d 在像素开口率上同样具有明显的优势。同时，由 于d m d 不像液晶器件那样对光的偏振态进行调制，而是对反射光的方向进行调制， 更有利于实现照明光路和出射光路的分离，从而获得更高的系统对比度 2 4 1 。 1 3 问题的提出 投影显示光学系统主要由光源、照明光路、空间光调制器( s l m ) 、分色合色系 统和投影物镜等几个主要部分组成( 如图1 1 1 所示) 【2 5 】【2 7 】。光源为系统提供足够的 光通量【2 8 1 1 2 9 1 。照明光路收集光源发出的光通量，为空间光调制器提供高效、均匀和 形状合适的照明光斑。分色系统将白色照明光路分为依时间或空间顺序排列的红、 绿、蓝三单色光路，进而空间光调制器在图像信号的控制下对单色照明光进行调制， 并经过特定的光学元件或光路形成相应的图像显示，进而由合色系统将单色光路合 并为同一光路，再经由投影物镜成像在屏幕上，形成放大的彩色图像。 光源 图1 1 1 投影显示光学系统的基本组成 衡量投影显示系统性能的指标有多种，如亮度( 输出光通量) 、对比度、分辨率、 视角、显示均匀性、色饱和度和颜色数、以及可靠性、功耗、寿命等。这些指标都 与包括光源在内的光学系统有若非常密切的联系。因此，光学系统的研究一直是投 影显示技术研究中的重点 3 0 1 f 3 3 】。 亮度( 能量利用率) 是投影显示系统最重要的性能指标之一，直接决定系统的 观察效果。通常，在确定空间光调制器的条件下，投影系统的输出光通量主要出光 1 0 浙江大学博士学位论文 源和照明系统等部分共同决定。 投影显示系统中影响能量利用率的因素主要包括：各种光学元件的反射透射和 吸收；光源的光通量收集效率：显示器件本身的反射率或透过率：照明系统的效率； 偏振和滤色光学元件的效率等等。以目前常见的背投影d l p 光学引擎为例，如图1 1 2 所示，系统采用色轮作为分色器件，利用时序实现彩色显示，色轮在任何时刻只能 通过r 、g 、b 中的一种颜色，因而能量利用率只有3 3 。照明系统采用方棒照明结 构，由于方棒尺寸的限制，光源发出的光只有部分能进入方棒，利用率在5 0 到6 0 ， 方棒本身的前后端面反射及方棒的吸收也会造成能量损失。另外，设计的照明光斑 通常要比实际的d m d 有效区域面积大，以保证机构的误差要求。系统的能量利用率 可以如下估算： 6 0 3 3 5 5 90809085 6 u x3 3 x 5 5 x 9 u x 8 0 x 9 0 x8 5 = 6 图1 1 2 典型d l p 投影光学系统光能利用率分析 从上面的分析可见，目前投影显示系统的能薰利用率都很低。正投l c d d l p 投 影机的效率在2 0 到3 0 之间，而3 片式l c d 背投机的效率约1 0 ，单片d l p 背 投影机的效率仅为5 巧。因而提高光学系统的能量利用率是目前投影显示系统研 究的一个熏点。 目前所采用的提高系统亮度的方法主要集中在以下三个方面上： 一是提高光源的输出光通量。很明显，在其它光学元件都不改变的情况下，使 用功率更高的光源可以提高系统输出光通量。但是大功率光源通常具有较短的使用 寿命，同时也会增加系统成本，增大发热量，降低系统的稳定性和可靠性。因而新 型光源成为当前的一个主要研究方向3 4 1 。短弧灯在提高系统的能量利用率上具有非 常明显的优势。研究发现，光源的电弧越短，所发出的光能越集中在较小的光学扩 展量内，因此对于扩展量受限系统( 通常投影显示系统都是这类系统) ，更有利于提 高系统的输出亮度。目前，u h p 光源产品的弧长已经达到了1 0 m m 。但短弧灯在使 用寿命上还略低于弧长较大的产品，需要进一步完善。另外，提高光源本身的发光 第一章绪论 效率也是研究方向之一。目前u h p 灯的发光效率约为6 0 7 0 1 m w 。要进一步提高效 率，需要对光源的发光原理、材料、电弧结构、电路等进行更为深入的研究。 二是新型光学元件的研究。投影显示光学系统由各种各样的光学元件组成，包 括普通的透镜、棱镜以及各种复杂的偏振器件、分色器件【3 5 】等。从图1 1 2 中可以看 出，部分元件对系统的能量利用率有着非常明显的影响。如d l p 系统中常用的色轮 器件，在任意时刻只允许整个可见光波段中的一部分光谱能量通过，极大的限制了 系统的能量利用率。为了解决这一问题，人们提出了一种新的方案s c r 色轮【3 “， 能够在同一时刻利用整个可见光光谱的能量，以提高系统的输出光通量。在液晶投 影显示系统中，也产生了具有相似工作原理的p r l p 方棒等新型光学元件【3 7 】。【4 5 1 ，能 够较好的改善系统性能。但这些新器件同样具有成本高，性能不稳定或工作原理复 杂等缺点，需要进一步完善。 三是改善和发展新的投影光学系统结构。目前市场上常见的投影显示系统，如 三片式l c d 正背投影系统、单片式d l p 正背投影系统等，不周品牌和不同型号的 产品之间，光学系统结构都非常相似，只是针对不同的应用需求在细节上有一定区 别。传统的光学结构，经过长期的发展，其性能都已经非常接近目前光学设计和加 工方法所能达到的极限，想在现有基础上获得明显的能量利用率的提高已经非常困 难，因而，探索新型的光学系统结构越来越受到科研工作者的重视 4 6 】。这些工作 通常与新型光学器件的研究有着非常紧密的联系。 偏振光是液晶投影显示系统工作的基础，用于投影显示的l c d 、l c o s 、l c l v 器件都是利用对照明光的偏振态的调制实现图像显示。照明光和输出光的偏振态不 仅决定着图像的对比度，也对系统的能量利用率有着非常重要的影响a 光源发出的 光，必须经过起偏器，成为高偏振度的线偏光，照明l c d 、l c o s 等器件，经显示器 件调制后，再经过检偏器后投射到屏幕上，亮态出射光和暗态出射光分别对应着相 互正交的两个偏振态。 由于液晶显示器件只能利用一种偏振态的线偏光，为了提高系统的能量利用率， 液晶投影系统中通常在照明光路中采用各种偏振转换元件【5 7 】将另一偏振惫的线偏 光转换为能被显示器件利用偏振态。由于照明光束具有一定的孔径角，不同空间角 度的光线具有不同的偏振态，任何一种偏振转换器件或光路都不能实现理想的偏振 1 2 浙江大学博士学位论文 态转换( 转变为理想的线偏光) ，能量利用率的提高不可能达到1 0 0 。 以典型的l c o s 投影系统为例，系统中起偏振转换作用的器件有p b s 、 p r l p p c l p 等，而起起偏和检偏作用的器件是p b s ，以及为提高对比度而引入的线 偏振片等。同时，系统中的各种滤色薄膜、反射透射器件等也会对光线的偏振态产 生一定的影响。 详细地分析液晶投影光学系统中光线的偏振态分布，及各光学元件对光的偏振 态的作用，对准确地估计投影系统的能量利用率和对比度，以及合理的设计光路和 各光学元件有着非常重要的意义。 投影显示系统的设计，重点是获得高能量利用率和图像性能的光学系统。传统 的成像光学系统，以像差和像差容限作为系统的评价指标。而在投影显示系统中， 不仅有对成像质量有严格要求的投影物镜系统，还有对能量利用率和照明均匀性有 严格要求而对像差要求比较宽松的照明光学系统。因而衡量投影显示光学系统的性 能，必须综合考虑像质、能量利用率和照明均匀性的要求，这就需要寻找比成像光 学更为合适的方法作为投影显示系统的设计方法和评价标准。 非成像光学的引入，为投影显示系统的设计提供了新的理论基础和标准。1 9 9 6 年，s b r e n n e s h o l t z 在其一篇论文中首先将非成像光学理论引入液晶投影显示系统分 析。此后，d a v i da r m i t a g e ，b e n j a m i na 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中，大大推进了投影显 示光学系统设计方法的改进，非成像光学理论在投影显示技术中的应用也成了一个 新的研究热点 5 8 【6 0 1 。 对现有的投影显示光学系统和光学器件进行详细的模拟和分析，有助予加深对 各予系统、光学器件之间的能量( 效率) 匹配、偏振态传递、光谱匹配等关系的理 解，并对改进和发展投影显示系统的设计方法产生重要的指导作用。 1 4 课题的研究内容 本文在对当前各种投影显示光学系统研究的基础上，对l c o s 和d l p 投影光学 系统，特别是复眼和方棒照明光学系统的设计方法进行了深入的讨论。依据非成像 第一章绪论 光学理论，对光源和照明系统的扩展量匹配以及投影光学系统中能量和扩展量的关 系进行了详细的讨论。并对投影显示光学系统中的光的偏振态分布和传递，以及各 光学元件对偏振态的影响进行了详细的模拟计算，提出了改进l c o s 投影系统对比度 的理论设计方法。并利用以上设计方法进行了l c o s 和d l p 背投影光学引擎产品的 设计和开发。 本文主要的研究内容有： ( 1 ) 投影显示系统的基本原理的研究。对目前的投影显示技术，尤其是各种新 型的反射式微型空间光调制器的工作原理、光源技术、各种反射式投影光学系统的 结构和原理、各种光学元件的原理和设计方法、以及投影显示系统的软件设计和模 拟方法进行了深入的研究，为各种投影显示系统的设计和生产提供了理论基础和设 计方法。 ( 2 ) 投影显示照明光学系统的设计方法的研究。从理论上系统的分析和总结了 投影显示系统中方棒和复眼照明系统的设计方法。应用非成像光学的基本理论和分 析方法，从光能利用率的设计目标出发，对投影光学系统中的光学扩展量的传递进 行了探讨，深入分析了照明系统中光学扩展量与能量利用率之间的关系，对光源的 光学扩展薰和能量分布与照明系统之间的匹配关系和对系统能量利用率的影响进行 了详细的讨论。为照明光学系统的设计提供了理论基础和分析评价方法。 ( 3 ) 投影光学系统中的偏振作用的研究。利用光线追迹方法和概率统计方法对 光的偏振态在投影光学系统中的传递和各种偏振光学元件( p b s 、波片等) 对光的偏 振态的影响进行详细的模拟和分析，建立合适的光源和光学元件的数学模型，对 l c o s 投影光学系统的能量利用率和对比度性能进行评价，并提出了优化偏振元件和 提高系统性能的设计方法。 ( 4 ) 应用研究d l p 背投影光学引擎的设计。对d l p 投影显示技术进行了 深入的研究，包括d m d 芯片工作原理、色轮和t i r 棱镜等关键元件的原理和设计 方法等。设计了单片式d l p 背投影光学引擎，并提出了批量生产的解决方案。同时 对方棒照明系统与u h p 光源的匹配和提高d l p 投影显示系统对比度的设计方法进行 了详细的讨论。完成了d l p 背投影光学引擎产品的开发工作，产品的亮度和对比度 都达到或高于目前同类产品的平均水平。 ( 5 ) 应用研究l c o s 背投影显示光学引擎的设计。在对l c o s 投影显示系统 4 浙江大学博士学位论文 的原理进行深入研究的基础上，应用理论研究的成果，设计了三片式l c o s 背投影光 学引擎，包括方棒照明系统、p b s 和x c u b e 分色合色系统、定焦投影物镜等，并完 成了系统装调和性能改迸以及性能测试工作。 本文的创新之处有以下几个方面： ( 1 ) 应用非成像光学设计理论和分析方法对l c d l c o s d l p 投影显示光学系统 进行了全面的分析。采用非成像光学的光学扩展量概念对投影光学系统进行描述， 并对光源的光学扩展量与输出光通量的关系进行了详细的探讨。在总结复眼照明系 统和方棒照明系统的设计方法的基础上，对系统的结构和光学扩展量进行了分析， 通过建立适当的数学模型，深入讨论了照明系统与光源间的匹配关系，并提出了以 扩展量和光源空间光强分布为依据优化照明系统设计的方法。 ( 2 ) 对投影显示系统中的偏振效应进行了详细的分析。建立了各种偏振光学元 件和投影光学系统的数学模型，并利用光线追迹的方法模拟照明光的偏振态在光学 系统中的传递，在此基础上提出了在l c o s 前插入具有适当相位变化的波片以提高系 统对比度的设计方法，对整个系统的对比度和能量利用率性能进行准确的评价，为 l c o s 投影光学引擎的设计提供有效的参考。 ( 3 ) 参与d l p 背投影光学引擎和l c o s 背投影光学引擎的研制，并成功设计了 d l p 光学引擎的方棒照明光学系统和t i r 棱镜、色轮等光学元件和l c o s 光学引擎 的整个光学系统和样机机构。光学引擎的性能达到或超过国际上的同类产品。在此 基础上掌握了l c o s d l p 投影显示系统的详细设计方法，为光学引擎产品的改进设 计和批量生产奠定了基础。 论文为l c d l c o s d l p 等投影显示光学系统的设计提供了新颖的基于扩展量的 设计方法，通过对系统光学扩展量和能量利用率的匹配关系的分析以及对光学系统 中光的偏振态的传递的模拟计算，建立了评价系统综合性能的依据和优化系统设计 的方法，并应用这些方法成功研制了高性能的l c o s 和d l p 背投影光学引擎。这些 研究工作对大屏幕投影显示光学系统的设计和评价具有一