（光学工程专业论文）lcd投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究.pdf

毫衷理工夫学壤学链论文 l c d 授彩系统建学糍擎色度竞塞晶震劈辑每鞲竟 攘要 本文童要对l c d 投影系统光学日f 翠的色度光廪品质进行分析和研究，邋立了一套 l c d 投影系统毙学弓l 攀色度毙度燕蠼淫徐体系，缡裁了一套l c d 投影系绞光学莩l 擎色 裹竞发分爝与蒋真貔辱觳软释。本文先分据了l c d 巍学雩| 擎筑缀梅，劳餐了备夺元箨对 系统色威光度品质的影响，得出分包合色系统遐影响色度光度品质的核心因素的结 论。研究丁色度学原理并结合光学垮l 擎的结构，构建了l c d 光学弓 擎色度光废品质评 徐薅系瓢及数学努褥横型。擐据数学模墼两e + 十谗害壤灏了爝寒糖囊l c d 光学弓 擎爱 计的l c d 投影系统光学引擎色度光攘分析与仿冀优化软件。躐屙对编制的软件进行了 实验验谜，实验结果证明了本文提出的色度光度鼹质评价体臻以及数学分析模型的正 确牲、软件努据数据的弼靠注班及糖确佳。 关键字 l c d 光学弓l 攀色度光发品质分毡念色系统 硬士逆文 a b s t r a c t t h ep a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h eq u a l i t i e so ft h ec h r o m aa n dl u m i n o s i t yo ft h eo p t i c a l e n g i n es y s t e mo ft h el c dp r o j e c t o r i nt h ep a p e r , e a c ho ft h eo p t i c a lc o m p o n e n t so f t h e l c do p t i c a le n g i n ei sa n a l y z e da n dt h e i re f f e c to i lt h eq u a l i t i e so ft h ec h r o m aa n d l u m i n o s i t yi sa n a l y z e dt o o + t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec o l o rs e p a r a t i n ga n dc o m b i n i n gs y s t e m i st h em a i ne f f e c to nt h eq u a l i t i e so ft h ec 1 1 r o m aa n dl u m i n o s i t yi sp r e s e n t e d b a s e do nt h e c n o m at h e o r y , a l le s t i m a t i n gs y s t e mo ft h eq u a l i f i e so ft h ec h r o m aa n dl u m i n o s i t yo ft h e l c do p t i c a le n g i n ea n dt h em a t h e m a t i cm o d e la r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h e m a t h e m a t i cm o d e l ，t h es o f t w a r et oa n a l y z et h eq u a l i t i e so ft h ec h r o m aa n dl u m i n o s i t ya n d o p t i m i z et h el c do p t i c a le n g i n ei sd e v e l o p e dw i t ht h ec + + l a n g u a g e ，t h er e s u l t so f t h e e x p e r i m e n t a l ep r o v i d e di nt h el a s ts e c t i o no ft h i sp a p e r t h e yp r o v et h ep r o p o s e d e s t i m a t i n gs y s t e ma n dm a t h e m a t i cm o d e la r er i g h ta n dt h ed a t ao ft h es o f t w a r eh a sh i g h a c c u r a c ya n dh i 醢r e l i a b l y k e y w o r d s ：l c do p t i c a le n g i n e ，q u a l i t i e so f t h ee h r o m aa n dl u m i n o s i t y , c o l o rs e p a r a t i n g a n dc o m b i n i n gs 筘t e m h 飞7 6 3 3 8 8 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：蹈2 年月) 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：丝生加西年占月) 7 日 ， 南京理工大学硕士学位论文 l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 绪论 ( 1 ) 课题背景 随着计算机多媒体显示技术的发展，投影机作为最佳的大屏幕显示设备，也从早 期的a v 领域高级产品成为了标准的计算机外设产品，广泛应用于教育、军队、商务 等多种领域“”。近两年来，投影机市场发展非常迅速，成为众多i t 产品中的增长热 点。市场的需求带动了技术的进步与发展。早期的c r t 显示技术如今在投影领域已经 陨落。目前市场上占主导地位的是传统的l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 液晶显示技 术和新兴的d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) 数码光输出显示技术。投影机产品的生 产链主要由液晶板、d m d 等核心芯片的底层技术提供厂商、光学引擎生产厂商和投影 机整机产品生产厂商三个层次构成。在投影机产品的发展中，底层技术产品的地位完 全可以与p c 产品中的c p u 一样重要，它的每一次更新和发展，都将带来一次投影机 产品的更新换代。在底层技术方面有t i 的d l p 技术和s o n y 、e p s o n 的l c d 技术两大 阵营的较量，提供l c d 技术的e p s o n 公司和s o n y 公司之间同样存在着竞争。目前国 内的投影设备生产商绝大多数部属于生产链的第三个环节，即属于投影设备整机产品 生产商。作为生产链的第一层，底层技术供应商，需要雄厚的资金技术基础，根据目 前的资料信息，国内还没有具备这方面实力的公司。但在第二个环节即光学引擎生产 上，国内已具备了自主开发的条件，具有很好的市场前景。”。决定一个投影仪质量好 坏的根本因素在于投影系统的光输出能力( 光度品质) 和颜色还原能力( 色度品质) ， 而对这两个指标起决定影响的是投影系统中的光学引擎。所以对于光学引擎的开发需 要有一套与之相对应的色度光度品质分析软件和根据色度光度指标来进行仿真优化 的软件来辅助，从而达到缩短开发周期、提高产品质量的目的，如同现在光学设计中 广泛使用的z e m a x 软件一样。鉴于现在国内外还没有这样的软件以及受无锡湖光星源 有限公司的委托和投资，我教研室在这方面进行了研究并开发了这样一套软件。 ( 2 ) 本文的主要研究工作 评价光学引擎性能，主要有三方面。一是输出的亮度；二是色调；三是系统的分 辨率。对数字式投影光学系统来说，系统的分辨率主要取决于成像元件的分辨率。色 调和输出亮度受系统中其他光学元件的影响非常大，元件的透射率、反射率直接影响 系统的光学效率，镀膜元件的膜系则决定了系统所能够匹配出的色彩的范围。本课题 的任务是首先通过对l c d 投影系统结构分析，研究出各种因素对投影系统品质的影 响。通过对系统光路中输出与输入的关系计算分析，评价系统中镀膜元件所选的膜系 是否能较好的协调好亮度和色调之间的关系，并能根据设计者对亮度和色调的要求来 对镀膜元件的膜系谱线进行优化从而设计出品质较好的光学引擎。使系统在能显示出 硕士论文 尽可能多的色彩的同时，提高系统的光效率，达到均衡光学系统亮度与色调两个性能 指标的目的。 本文具体的研究工作如下： 1 ) 在查阅了大量资料的基础上了解了现有各种类型投影技术的发展和各自的特性； 2 ) 对l c d 投影系统中的光学引擎进行了结构上的分析： 3 ) 全面研究了色度学的各种原理； 4 ) 构建了l c d 投影系统光学引擎色度光度品质评价体系和分析l c d 投影系统光学 引擎色度光度品质的数学模型； 5 ) 根据数学模型编制了投影系统色度光度分析软件； 6 ) 为了用户能根据产品的色度光度指标来对光学引擎进行结构上的优化设计，编制 了光学引擎仿真设计器； 7 ) 为了用户更好的人机对话，提升软件的商用性和通用性，设计了强大的数据处理 功能于软件之中： 8 ) 将所有的软件集中于一体形成专业的投影系统色度光度分析与仿真优化软件： 9 ) 用所编的软件对某个现有的光学引擎进行色度光度品质的分析计算，验证该方法 及程序的正确性； 10 ) 利用光学引擎仿真设计器来优化一个投影系统的光学引擎，使其满足要求达到的 色度光度指标。 1 1 ) 软件经无锡湖光星源有限公司使用，达到设计研发光学引擎的使用要求； 南京理工大学硕士学位论文 l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 1 投影技术概况 1 1引言 过去，投影仪多用于教学或商务用途。自上世纪9 0 年代起，衍生了“家庭影院” 的概念并迅速普及化，玩家渐渐觉得传统c r t 电视的屏幕面积不能营造“影院”的气 氛，大屏幕的l c dt v 却价值连城，p l a s m a 又未曾出现过百寸面板；以5 1 家庭影院 配合投影仪，再加上一块专用投影幕，就可以轻松地投放数十至超百寸的大画面了”1 。 投影仪亦因此开拓家用市场，需求增加与品牌竞争下，投影仪由最初高不可攀的形象， 逐渐变成初哥也玩得起的大众化产品了1 。 1 2 各类投影技术的特性 当前的投影机主要有c r t 投影机、l c d 投影机、d l p 投影机、l c o s 投影机四大类 型。投影机的发展到目前为止也主要经过了这几个发展阶段，分别通过这四种典型的 显示技术即c r t 投影技术、l c d 投影技术、d l p 投影技术以及l c o s 投影技术来加以实 现1 。 1 2 1 c r t 投影技术 c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 称为阴极射线管。作为成像器件，它是实现最早、应用 最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三个c r t 管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示 出彩色图像。光学系统与c r t 管组成投影管，是c r t 投影机的核心部分。通常所说的 三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式投影方式。 但同时，由于该技术导致分辨率与亮度相互制约，所以c r t 投影机的亮度普遍较低， 到目前为止，其亮度始终在2 0 0 a n s i 流明左右。c r t 投影机有着超强的输入适应性， 它的分辨率可以灵活调节，这是它优越于新产品的重要原因。同时，c r t 投影机的图 像色彩更加逼真，原因是c r t 技术可以显示3 2 位真彩色，同时c r t 投影机的光输出 水平几乎保持恒定不变，也使得其变得更加老道而成熟。其缺点是：体积大，较沉重， 所以只能固定安装，不利于便携，这点使其远远落伍于便携式的投影机“。 1 2 2l c d 投影技术 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 投影机是目前应用最为广泛、技术最成熟的投影 机产品。它在成像是利用液晶分子的光电效应来工作的。l c d 投影技术可分为液晶光 阀和液晶板两种。 1 2 2 1 液晶光阀投影技术 投影技术概况 硕士论文 液晶光阀投影机采用c r t 管和液晶光阀作为成像器件，是c r t 投影机与液晶光阀 相结合的产物。为了解决图像分辨率与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式投 影方式。一般的光阀主要由三部分组成：光电转换器、镜子、光调制器。它是一种可 控开关。通过c r t 输出的光信号照射到光电转换器上，将光信号转换为持续变化的电 信号：外光源产生一束强光，投射到光阀上，由内部的镜子反射，能过光调制器， 改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学 缝隙方向一致的光通过，这个光与c r t 信号相复合，投射到屏幕上。它是目前为止亮 度、分辨率最高的投影机，亮度可达6 0 0 0 r z 工流明，分辨率为2 5 0 0 + 2 0 0 0 ，适用于 环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所， 缺点是：价格高，体积大，光阀不易维修“”。 1 2 2 2 液晶板投影技术 液晶板投影机的成像器件是液晶板，也是一种被动式的投影方式。利用外光源金 属卤素灯或u h p ( 冷光源) ，若是三块l c d 板设计的则把强光通过分光镜形成r g b 三束 光，分别透射过6 r b 三色液晶板；信号源经过模数转换，调制加到液晶板上，控制液 晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通过断，再经镜子合光，由光学镜头放大，显 示在大屏幕上。目前市场上常见的液晶投影机比较流行单片设计( l c d 单板，光线不 用分离) ，这种投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格也比较低廉。但 其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低，最高分辨率为1 0 2 4 7 6 8 ，多用于临时 演示或小型会议。这种投影机虽然也实现了数字化调制信号，但液晶本身的物理特性， 决定了它的响应速度慢，随着时间的推移，性能有所下降“。 1 2 3d l p 投影技术 d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 是由美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ， t i ) 开发的。d l p 是全数码处理，特点是一块高度精密的数码微镜芯片d m d ( d i g i t a l m ic r o m i r r o rd e v ic e ) ，由t i 成员d r l a r r yh o r n b e c k 于1 9 8 7 年研发“”。 d l p 分为三片式及单片式，前者价格昂贵，后者便宜，但会有彩虹现象。单片式 成像过程分为两个阶段：首先讯号经过光源，再射向d m d 镜片，d m d 内藏数十至百多 万块可动镜片，每块代表一个像素p i x e l ( 譬如一部d l p 投影仪的黄金解像度是i 0 2 4 7 6 8 ，其d m d 就拥有1 0 2 4 + 7 6 8 块微镜) 。d m d 根据电流控制其镜片角度，透过镜片 的折射，产生灰阶影像，这是第一阶段；之后灰阶影像射向不停高速转动的单片r g b 滤色片，产生七彩影像，影像穿过镜头，从而投放画面。其实早在8 0 年代，业已完 成d m d 的初步开发，只是半导体技术于近数年才成熟，导致d l p 产品到近年才正式推 出市场m ，。 南京理工大学硕士学位论文l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 d l p 投影机的技术关键点如下：首先是数字优势。数字技术的采用，使图像灰度 等级达2 5 6 - 1 0 2 4 级，色彩达2 5 6 3 - 1 0 2 4 3 种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确 的数字图像可不断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式d m d 器件的应用， 使成像器件的总光效率达6 0 以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色“”。 1 2 4l c o s 投影技术 1 9 9 9 年出现的l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 投影技术，成像方式类似三 片式l c d 般，不过光线非穿透l c d 面板，而是采用反射方式聚合影像，即集合了三片 式l c d 与单片式d l p 的优点“。l c o s 技术的应用，使投影系统的光效率进一步提高， 可达到8 0 以上。由于可避开穿透式液晶面板的问题，且因采用c m o s 半导体制成， 大量生产可降低成本“”。l c o s 采用的面板像素极高，计有q x g a ( 2 0 4 8 1 5 3 6 ) 、 q s x g a ( 2 7 3 0 * 2 0 4 8 ) 、q h d t v ( 3 8 4 0 * 2 0 4 8 ) 、和q - u x g a ( 4 0 0 0 * 2 0 0 0 ) 。现仍在起步阶段， 实际推出市场的产品不多，熟悉的品牌有h i t a c h i ，由于有其优点一般相信有力与l c d 及d l p 竞争投影仪市场“。 1 3 各类投影技术的比较 c r t 技术由于体积庞大等原因，已经退出了主流的投影机市场。目前的市场主流 是l c d 技术的产品，随着技术的发展成熟，d l p 技术也逐步走向成功，尤其是在超小 型投影机产品方面，d l p 技术与l c d 技术相比，由于它的光效率高，整体结构简单化 方面的优势，已在投影机小型化方面取得了优势，目前在超小型投影机产品领域，应 用d l p 技术的产品的份额大于l c d 类产品。采用d l p 技术的最小巧的投影机的重量仅 为1 3 k g ，体积只有2 3 0 m m x1 7 7 m m x4 8 m m 。另外，反射式成像方式的光效率也远高于 透射式，因此更容易实现高亮度。与d l p 技术相比，l c d 投影机大多采用三片式结构， 体积较大，但在家电产品( 大屏幕背投电视) 的应用中，体积并不是首要因素。但是 d l p 技术由t i 公司独家垄断，而且存在严重的供不应求的现象，而l c d 技术目前却 由s o n y 和e p s o n 等几家公司提供，这样对光学引擎生产厂家就有选择的余地。l c o s 技术式反射式液晶技术的一种，目前已经成熟并走向产品化。l c o s 技术采用反射方 式成像，在光效率与d l p 技术不相上下，而且在加工工艺上与传统的c m o s 芯片制造 工艺相近，额外投资少，有利于实现大规模生产。现在已经有国内厂商推出应用l c o s 技术的大屏幕背投电视整机产品样品“。 1 4 本章小结 本章主要在查阅了大量资料的基础上介绍了现有各种类型投影技术的原理以及 各自的特性，并进行了比较。 l c i ) 授影系统疆圭论文 2l c d 投影系统 2 。l 孳| 言 l c l ) 投影仪是现今市场上的主导产品，技术比较成熟，而融国内对光举引擎的研 发都是针对l c d 投影仪的，所以本课题也是针对l c d 投影系统进行色度光度品质分析 酶，在遨之蔫走妥对l c d 投影系统遴牙结稳分掇。 2 2 投影系统的性能指标 投影悉统的性能指标是区别投影机档次高低的标志。下霹是目前常用的评价投影 系统整戆熬足顼稽括。 1 ) 光输出：是指投影机输出的光能量，单位为”流明”。与光输出有关的个物理量 是亮度，是指屏幕表蕊受到光照射发出的光能量与屏幕面积乏比，亮度常用的单位是 ”勒竟巍”。当投影枕输疆熬光通过一定辩，投射嚣积越大亮度越低，反之燕巍潼越裹。 决定投影枫光输出的鞫素有投影及荧光屏面积、性能及镜头憔能、通常荧光瓣面积大， 光输出大。带有液体耦合镜头的投影机镜头性能好，投影机光输出也可相殿提高7 。 2 ) 水平捆描频率( 行频) ：电子在餍幕上从左麓右的运动日q 做水平扫描，也叫行扫 疆。簿移静扫季蓥次数# q 祓汞平稿 蘩颓率，褫蒙投影躬承乎害羞援频率是溪定豹，鸯 1 5 6 2 5 k h z ( p a l 制) 或1 5 7 2 5 k h z ( n t s c 制) 数据和图形投影机的扫描频率不是同个频 率频段，谯这个频段内，投影机可自动跟踪输入信号行频，由锁相电路实现与输入信 号孬频戆完全同步。求平招捶频零是区分投黟橇搂次的鬟妥指标。频率范围在 1 5 k h z 6 0 k h z 的投影机通常口q 馓数据投影机，上限频率超过6 0 k h z 的通常中徽图形投 影机”1 。 3 ) 垂壹孛曩描频率( 场频) ：电子柬在水平拯攒的同时，又从上向下运动，这一过程 嘲垂妻i 薯摇。每招摇一次形藏一箍潮像，每秒镑孪霉籀静次数l q 徽垂壹箱攒频率，垂壹 扫描频率也叫刷新频率，它表示这幅图像每秒钟刷新的次数”。垂直扫描频率一般不 低于5 0 h z ，否则图像会有闪烁感。 4 ) 撬簇繁宽：投影爨靛程频逶邋葸嚣频繁爨攫，其定义蹩程筏频绩号援柩下降至 0 7 0 7 倍时，对应的信号上限频率。0 7 0 7 倍对_ 陂的增量是一3 d b ，因此又叫做一3 d b 带 宽”3 。 5 ) 分辨率：在投影桃指标中，分辨搴是较荔溅潺的一个概念，投影撬技术捂标上 鬻给出静分辨率有：可寻址分辩攀、r 6 b 分辨翠、视频分辨率三种。 对c r t 投影机来说，可寻址分辨率是指投影筲可分辨的最简像素，它生鼹由投影 管的聚焦性能所决定。是投影管质掇指标的一个黧要参数。可寻址分辨率成商于r g b 分瓣率t 6 南京理工大学硕士学位论文 l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 r g b 分辨率是指投影机在接r g b 分辨率视频信号时可达到的最高像素，如分辨率 为1 0 2 4 7 6 8 ，表示水平分辨率为1 0 2 4 ，垂直分辨率为7 6 8 ，r g b 分辨率与水平扫描 频率，垂直扫描频率及视频带宽均有关。 视频分辨率是指投影机在显示复合视频时的最高分辨率。这里有必要将视频带、 水平扫描频率、垂直扫描频率与r g b 分辨率的关系做分析：首先看看水平扫描频率与 垂直扫描频率的关系。 水平扫描频率= a x 垂直扫描频率x 垂直分辨率 式中a 为常数，约为1 2 ，垂直扫描频率一般不应低于5 0 h z ，为了保证良好的视 觉效果，希望垂直扫描频率高一些好。为了提高图像质量，也要提高垂直分辨率。这 些都要求相应地提高水平扫描频率。可见，水平扫描频率是投影机的一个重要技术指 标。例如：当扫描频率为7 0 h z ，垂直分辨率为7 6 8 时，行频为6 4 5 。 其次再看视频带宽与水平扫描频率、水平分辨率的关系( 视频带宽= r 水平扫 描频率水平分辨率2 ) 式中c = a x r 。由该公式可以知道要提高图像分辨率，就要 提高视频带宽。因而视频带宽也是投影机的一个重要指标。因此，在区分投影机质量 优劣时，应注重行频和带宽，在看r g b 分辨率时，还应注意它的垂宜扫描频率，在行 频一定时，垂直扫描频描频率不同时，最高r g b 分辨率也不同。例如一台投影机的最 高行频为7 5 k h z ，当垂直扫描频率为6 0 h z 时，允许最高r g b 分辨率是1 2 8 0 1 0 2 4 。 丽如果将垂直扫描频率提高至7 0 h z 时，就达不到1 2 8 0 1 0 2 4 。 6 ) c r t 管的聚焦性能( 对c r t 投影仪来说) ：我们知道，图形的最小单元是像素。像 素越小，图形分辨率越高。在c r t 管中，最小像素是由聚焦性能决定的，所谓可寻址 分辨率，即是指最小像素的数目。c r t 管的聚焦机制有静电聚焦、磁聚焦和电磁复合 聚焦三种，其中以电磁复合聚焦较为先进，其优点是聚焦性能好，尤其是高亮度条件 下会敞焦，且聚焦精度高，可以进行分区域聚焦，边缘聚焦，四角聚焦，从而可以做 到画面上每一点都很清晰。 7 ) 会聚：会聚是指r g b 三种颜色在屏幕上和重合，对c r t 投影机来说，会聚控制 性显得格外重要，因为它有r g b 三种c r t ，平行安装地支架上，要想做到图像完全会 聚，必须对图像各种失真均能校正。机器位置的变化，会聚也要重新调整，因此对会 聚的要求，一是全功能，二是方便快捷。会聚有静态会聚和动态会聚，其中动态会聚 有倾斜，弓形、幅度、线性、梯形、枕形等功能，每一种功能均可在水平和垂直两个 方向上进行调整。除此之外，还可进行非线性平衡，梯形平衡，枕形平衡的调整。有 些投影机具有点会聚功能，它将全屏幕分为2 0 8 个点，在2 0 8 个点上逐点进行调整， 所以屏幕上每一点都做到精确会聚。而对数字式投影系统，例如三片式l c d 、d l p 、 l c o s 投影系统来说，r g b 三色的汇聚取决于三片光阀的安装精度，合色镜的装配位置， 角度精度2 ”。 l c d 投影系统硕士论文 8 ) 颜色还原能力系统能够在多大程度上还原图像的原色。图像还原时失真越小， 说明该投影系统的色彩还原效果越好。 在上述的性能指标中，要重点考虑的两项指标是投影系统的光输出能力( 光度品 质) 和颜色还原能力( 色度品质) ，这两项指标是决定一个投影系统质量好坏的根本 因素。本课题就是围绕着如何利用计算机辅助技术来辅助l c d 投影系统设计者来设计 出能使光输出能力( 光度品质) 和颜色还原能力( 色度品质) 都达到较高指标的光学 引擎。 2 3l c d 投影系统结构 l c d 投影系统的基本组成如图2 3 1 所示。它由以下几个基本部分组成“： 1 、光源； 2 、光学积分器； 3 、分色系统； 4 、液晶板； 5 、合色系统； 6 、投影镜头： 7 、液晶板机电控制系统； 光源光学积分器 液晶板 投影镜头 图2 3 1l c d 投影系统结构图 光源发出的光经过光学积分器后，成为能量分布均匀的平行光，通过分色系统( 通 常由几片分色镜组成) ，分成r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三束光，三束光均匀的照射 到液晶板的平面上。液晶板是由成矩阵形式排列的像素组成，通过液晶板机电控制系 统来控制每个像素的开闭，及开闭的程度，达到控制通过液晶板的光通量，形成所需 的图像。最后r 、g 、b 三色图像由合色系统( 通常是一个合色棱镜) 合成彩色图像， 最后经过投影镜头投射到投影屏上。 南京理工大学磷士学位论文l c d 投影系统光学引浆色度光度品质分析与研究 2 4l c d 投影系统豹光学弓l 擎 l c d 投影系统的光学弓l 擎主要由光源、光学积分器、分色系统、液晶板以及合色 系统组成”1 。大多数的l c d 投影系统的光学引擎结构如图2 。4 1 所示。 图2 4 1l c d 投影系统的光学引攀结构 巍学弓l 擎设诗蕊好嚣塞搂影稳了黎个投影系统怨发竞度上瓣磊葳，辑教它楚整个 投影系统中的核心。要想构建一个性熊优越的光学引擎，每个部分元件的选择，光学 参数的匹骶都是非常重骚的。下面就针对光学引辈的各个部件避行分析。 2 4 。1 必擎弓l 擎豹巍滚 投影光源系统是影响投影仪性能指标的重要因豢，它包括投影灯、反射镜和供电 装置( 电子镇流器) 。除了骚有较高的亮度，投影仪对光源还有以下几个基本鼷求”1 ： 1 ) 为了褥墅l 逶寞豹蚕像色彩还嚣麓力，要求毙源爨霄较毫懿嚣惩捂数，瑟兵骞魄较 好的光谱分布； 2 ) 为提离光线的利用翠，要求发光体横截面积小，接近于点光源； 9 l 投影系统疆士逡文 3 ) 发光效率( 1 m w ) 高，有利于减小电子镇流器的体积； 4 ) 使用海命长； 5 ) 价格低； 投影灯主要分为两大类，一类题卤化钨灯；另一类是高强魔电荷放电灯( 弧光灯) 。 例如高压氙灯，高压泶灯，金属卤化物灯。第一擞卤化钨灯通常用在性能较麓的投影 搜中。霆藜，投影纹审广泛蠖爱戆投影光滠主要楚短孤塞强震气蓓藏亳簿。这秘灯毒 一个密封的容器，萋筒填充有化学物质，例如僦、汞、金属搿化物等。在常温下，这 些物质怒气态、液态城固态的，在选到工作温度时，填充物会变成蒸汽，蒸气在两端 的电极律鼹下放电，发如很强的弧光”1 。厂家褒供货时，一般均萤有旋转樾豳蘧或旋 转撵耱瑟鹣反莉镜，涎需焉户送行光学调整。其结构强国2 4 。1 1 掰示。 弧光灯 銎2 。4 i 。1 短援毫强菠气体数电灯 从弧光灯的工作服理来分类，可用作投影光源的高强度气体放电灯实际上只有短 弧氙灯、短弧金卤灯和超高压汞灯。图2 4 1 2 、图2 4 1 3 、图2 4 1 4 为三种光 源熬光谱戆塞分毒整线。虽然扶光落努布来看，甄灯其套人工光源中最接i 莲- l e 鑫然蠢 线酶特散，因而吴有穰好的显色悭，但是由于氖灯的光效较低( 2 5 3 0 1 m 详) ，灯管电 压较低( 2 0 3 0 v ) ，而扇动电压很高( 约3 0 k v ) ，导致其镇流器体积较大，一般不适合 作为便携式设备的光源，只应用在遗求赢显色性的大型投影仪和数字电影院等特殊场 合。露蘸骚金蠹疆稻麓离压汞灯虽然在显色往主裕逶子氤灯，谨是出予光效离，同等 光输出条件下所需的输入电功率小，非常适合于小型化、低成本的要求“”。 南京理工大学硕士学位论文 l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 图2 4 1 2 短弧氙灯光谱能量分布曲线 图2 4 1 3 短弧金卤灯光谱能量分布曲线 图2 4 1 4 超高压汞灯光谱能量分布曲线 l c d 投影系统颈圭论文 图2 4 1 的光学引擎的灯源采用的是超高臌深灯灯源。越高压汞灯是种较新的 投影局必源，它有许多优点。首先遨耱灯的弧搬非常短，只露l 。3 m m ；寿念长，现在 可达到4 0 0 0 8 0 0 0 ，j 、辩；亮度胃达到6 0 0 0 1 m ；光源酶红乡 部分能量低，邈样光源斡 效率相对较高，对散热隳求也相对较低，而散热怒投影系统首露考虑的问题之一。由 于超高压汞灯的电弧日 常短，这样酝上抛物面反射镜后可以产生较细的光束，这对于 使霜耍狡较小静渡燕投豹投影系绞采滋哥鞋挺鬻系统戆走效露8 “。 2 4 2 光学积分器 通常投影灯发出的是准平行光窳，也存蛇楚汇聚光束。来囊投影灯的光束截匿上 能量懿分布是不稳匀瓣，逶露孛心帮分先髓量承蠢慧必裁豹魄镰较大。这样的光运不 能够直接用于投影系统。为了使照射到成像原件表面的光束能鬟达到均匀分布，必须 要用到光学积分器。光学积分器的弱一个作用是把来自投影灯的截面为圆形的光束交 戏截覆影姨冠或缳嚣黪彩凌一致，鬻矩形懿竞窳，已达到受舞瓣必效率。 图2 4 1 的光学弓| 攀中的光学积分器主要采用的是复眼系统。这种光路是针对从 光源发出的光是准平行光的情况。光路由两个相同的透镜阵列，一个凸透镜组成。图 示透镜降剿由2 0 个透镜组成，实鼯废用中可达4 睁5 0 个之多“”。照菇到第个复眼 的每个小透镜上静竞缀过第二令爱蕤郡凸透镜( 鞠当予场镜) 豹组合螽都照射在矩形 液晶板上。尽管来自照明灯的准平行光能量分布不均匀，但准平行光的光能在截面上 的分布魑旋转对称的，同时复眼透镜的每个小透镜位置的分布也是对称的，所以叠加 嚣豹光强分布籀对较均匀。 2 4 3 分色系统和台色系统 图2 。4 。l 中的分色系统是由反级透蓝绿= 囱分色镜、反绿透蓝二露分经镶、红光 反射镜、蓝光复翦镜i 、蓝毙爱霭雩镜2 梅成静。这些元件都燕镀貘元 孛，它们决定了 系统所能蟛匹配出的色彩的范围，任何一个元件腆系的变化都会改变投影系统的色度 品质和光效率。对l c d 投影系统的包度光度品质进行分析就是通过分析这热分色镜的 党谱透麓魏轭寒分援羹系统辑戆够藏酝塞夔色彩瓣范銎，簌嚣褥密该系统豹凝雹还溅 能力和光输出能力”。对光学引擎进行优化设计主蒙也是优纯这些分色镜的光谱透射 曲线。反纽透蓝绿二向分色镜的光谱曲线如图2 4 3 1 所示。，反绿透蓝：向分色镜 的巍谱熬线如图2 。4 ，3 2 所示“1 ，缎光反射镜的光谱盏线如嚣2 。4 。3 3 所零“，蓝光 反射镜的光谱簦线如潮2 4 3 4 掰示”3 南京理工大学硕士学位论文l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 图2 4 3 1 反红透蓝绿二向分色镜的光谱曲线 图2 4 3 2 反绿透蓝二向分色镜的光谱曲线 图2 4 3 3 红光反射镜的光谱曲线 l c d 投影系统 硕士论文 图2 4 3 4 蓝光反射镜的光谱曲线 合色系统是由合色棱镜构成的。如下图2 4 3 5 所示，棱镜有四块直角棱镜胶合 而成，在胶合面上镀有偏振分光膜系。其中镀膜面l 所镀的膜系是反射红光，而让其 它波长的光透过。镀膜面2 的膜系反射蓝光而让其它波长的光透过”“。代表r g b 三色 图像的光分别从棱镜的三个面入射，经过镀膜面的反射透射后合成彩色图像，在通过 投影镜头投射到投影屏上。这种合色系统结构明显紧凑，所占的空间小，适合于小型 投影系统。另外该方案的合色部分结构上可以做成一个整体。安装方便。 投影镜头 1 一反射红光膜系 2 一反射蓝光膜蒹 图2 4 3 5 合色棱镜原理图 分色合色系统的工作原理如下：由超高压汞灯发出的光经冷光碗和冷光镜，滤去 了有害的红外和紫外光，反射后经偏振分光镜和偏振转换系统起偏，并偏振合成变成 偏振光，然后由偏振分色系统把入射的光分成红绿蓝三基色，分别投影到相应的l c d 上，经电信号调制后，变成红绿蓝三色图像信号，再由合色棱镜将三色光合成彩色图 像投射到银幕上。 与分色系统不同的是，合色系统处在成像光路中。因而对合色立方棱镜的加工精 度和光学特性有很严格的要求。对棱镜而言，为保证最后的成像质量，必须注意以下 南京理工大学硕士学位论文 l c d 投影系统光学引擎色度光度品质分析与研究 六个方面： 第一、抛光工序必须确保直角棱镜的角度误差要小，特别是直角、4 5 。角和塔差也必 须控制在一定范围内( 一般在3 0 。以上) ； 第二、四块棱镜之间折射率误差应小于5 1 0 一； 第三、棱镜面形指标要在 2 以上，尤其是镀有滤光膜的表面，以保证影像透过后不 畸变； 第四、直角棱必须锐利，就像刀口，不允许崩边： 第五、图2 1 l 中的l ( 2 ) 面两棱镜上的滤光膜必须有很好的一致性，其切点处( 即 5 0 透过率处) 的波长只能有2 n m 的差别，而且膜层应无色差； 第六、胶合时应无像素分离，且胶合厚度要尽量小( 一般在5 i 鲫以下) ，而x 线交叉 点处只能在l o p ，n 以下； 2 4 4 成像元件液晶板 液晶是一种介于液体与晶体之间的中间态，它既有液体的流动性，又有类似晶体 结构的有序性。它既具有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的热( 热 色效应或温度效应) 、光( 光学各向异性) 、电( 电光效应) 、磁( 次光效应) 等物理 性质。液晶可以从形成方式上可分为热致液晶和溶致液晶两类”1 。 液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性的特性，如果对这 种物质施加电场，随着分子取向结构发生变化，它的光学性质就发生变化，这就是液 晶的电光效应。“。 投影用的液晶板制造技术由许多种，从光的传播方向上分，可分为反射式和透射 式两大类。从物理现象上分，现在主要有以下几种，一是基于液晶的电光效应，另一 类是基于微机电效应m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c s ) ，还有一种是基于压电效应 ( p i e z o e l e c t r i c i t y ) 。基于液晶电光效应的光阀可分为透射式( l c d ) 和反射式 ( l c o s ) ，在本课题所采用的光学系统中，我们采用的是目前技术上最为成熟的透射 式液晶板。下图2 4 4 1 是透射式液晶板的结构示意图。 4 2 、l ：= _ = 一1 2 1 一液晶层 2 一玻璃基授 3 - - 偏撅片 4 一定向处理层 55 - - 透明导电层 图2 4 4 1 投射式液晶板结构示意图 l c d 投影系统硼士论文 在嚣嚣渡薅基攫形波豹滚鑫鑫中褥充灌了滚爨辑辩，在滚骚鑫两个爨嚣上覆盖毒 透明电极。上图中的3 偏振片也可以魑镀在玻璃基板上的偏振膜，偏振膜通常是“中 性”的，它对可见光中不同波长光的透过率是几乎熄相同的。偏振膜的质量很大程度 上决定羞波器器枣 魏质壤。 在外期瞧场的律雳下，美育偶极戆静滚鑫襻状分子斡簿翔敬怨发生交纯，使得逶 过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗，避与不透的效果。液晶显示器件的每 个像素都可以单独被电场控制。根据所要显示的信息，在每个像索上加上驱动信号， 逶遵控囊每个豫素麴显承状态，在整个渡曩显示嚣瓣孚瑟上就会澎或悲要褥到夔霾豫 信息。“。 2 4 5 各种场镜的作用 在图2 4 1 豹免学孳l 擎结毒奄牵毒备耱各襻翁场镜，这些强镳熬热入使褥您貉戆够 弯折，从而使光学引擎的各个部件能充分利用空间，使得结构变得紧凑，减小了投影 系统的体积。另外，这然场镜还有使光学引擎中的每个光路中的光都尽量平行和均匀 戆终蔫。 2 4 6 光学引擎中的膜杀 l c d 投影系统的光学弓i 擎中至少潜要包含以下几种光学薄膜： 1 、泠必簇：瑷巅豫蠢澈中产生熬豹红岁 毙8 。 2 、u v i r 滤光片：此截止滤光片是进步滤去红外和影响l c d 寿命的紫外光“”。 3 、分色膜：它把光源的囱光分成红、绿、蓝三基色。 4 、攘菝分毪貘：砖缓麴镳强片存在罄透过率低、德羰度低、弱发热等缺点。采廷必 学薄膜制成的偏振器不但吸收小，而臆偏振度可以提高一至二个数量级，便褥系统静 对比度改藩。如再配以偏振转换系统，系统的能缴利用率可以提高近一倍。“。 5 、合色黢：宅把经过l c d 调制豹红、绿、蓝三单怨的匿像合成彩色强像。 6 、增透膜：降低光憝攘失，减少杂散先，提高清濒度”。 7 、反光膜：折反光路用。 其中分色膜、偏报分色膜以及合色膜对光学引擎的颜色还原能力起了决定性作 蔫，逮垫貘系结擒豹交讫黎会遥藏光学弓l 擎色瘦弱壤骥显装改炎，瑟疆对隽举雩| 擎匏 优化就是对这些膜系缩构的优化。而增透膜和偏掇膜对光学引蘩的光输出能力的提高 很关键，所以要想光学弓l 擎的光度品质好必须设计好这两个膜系。 2 。4 。7 鹣s 羁捡镶系统豹箨矮 p b s 器件和红光检偏器、绿光枪偏器、蓝光检偏器构成了光学引擎的偏撇转换系 统。p b s 器件是一个类似起偏器的元件，它的作用就是将从光学积分器出来的能量均 6 南京理工大学硕士学位论文 l c d 投影系统光学警l 擎色度光度品质分析与研究 匀豹龙分瓣成镶振光p 搬葶翼s 毙。嚣穰会鱼棱镜懿敬检镳爨，冀蜜是壶一个波片强一 个检偏器榆成的，波片的作用就是将舔本不能通：i 窭檎偏器静一路偏振光转诧成能通过 的偏振光，检偏器的作用是将与其光学缝隙一致的偏振光导入合色棱镜中，从而提高 系统出射嬲光能量。 由予在瓷学葶l 擎中热入了傣擐转纯系统，使终p 笼释s 必豹熊藿都能够褥戮肇l 用， 从而大大掇高了投影系统的光能利用率，增加了系统的亮度。 2 5 l c d 光学引擎结构对色度光度的影响 光学弓 擎的各个部件的光透过率辩光学弓l 擎的亮度瑟毙& 髑精率都会产垒影响， 而其中最熏要的就是：灯源的选择、偏振转换系统的设置、复眼系统的结构以及分色 合色膜系的光透过率。 图2 。4 1 中懿巍攀警| 擎结梅选撵了超离歪汞磐雩筝秃毙源裁楚考虑爨了这耱嚣的 亮度可达到6 0 0 0 1 m ；光源的红外部分能量低，这样光源的效率相对就高。由于采用 了p b s 偏搬光转换装鬣，使得p 光和s 光的能量都能够得到利用，而且采用光学薄膜 铡盛弱臻强器不毽吸牧小，嚣豆镳掇发霹鞋提裹一楚二个数量缀，使褥系统瓣怼魄痘 改善，这样系统的光学散率就大大撼潜了。由于采用了复眼透镜阵列，其中的每一个 小透镜的形状都是矩形，且矩形的长宽比与液晶扳的长宽比是一样的，这样就将投影 灯的固形光斑转换成了矩形光斑，减少了光能量的损失，进一步提高了光效率。 这襻分率斤下来影璃致影系统毙效率的函素廷剩下分色金色袋系粒竞透过攀了。露 我们知道影响投影系统饱度品质的因索也是分色合色膜系，这样分色合色系统就成为 影响投影系统色度光度品质的核心了。它既是分析投影系统色度光度品质的核心元 箨，也是怼投影系统蠢学霉l 擎送行臻真饶建设计露骜选戆霞纯对象，瑟良零瀑题设诗 的l c d 投影系统色度光度分析与仿真软件主要是围绕分色含色系统来的。 2 6 本镦小结 本章罄先奔绍了滚潞校投影系统瓣一羧结鞫缀袋，然器介缁了其免学；| 擎的缝 构，并对光学引擎的各个部件进行了详细的分析，鼹后对投影系统的光效进行了分析， 通过分析褥出分色合色系统是本课题软件设计的核心。 t 7 色度学基本原理 硕士论文 3 色度学基本原理 3 1 引言 要分析投影系统的色度品质首先就要掌握色度学的基本原理，色度学是研究颜色 度量和评价方法的- - 1 1 学科，是颜色科学领域里的一个重要部分。 3 2 颜色视觉理论 3 2 1 颜色视觉理论的发展 现代颜色视觉理论主要有两大类，一个是扬一赫姆霍尔兹的三色学说，另一个是 赫林的“对立”颜色学说。 3 2 1 1 扬一赫姆霍尔兹的三色学说 扬一赫姆霍尔兹根据红、绿、蓝三原色可以混合出各种不同色彩颜色的混合规律， 假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉。光 作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋，但波长不同，引起三种纤维的兴奋 程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。 三色学说能够很好的说明各种颜色混合现象，但是对有些现象不能满意地解释， 例如色盲现象。 3 2 i 2 赫林的“对立”颜色学说 赫林的“对立”颜色学说叫做四色学说，他假设视网膜中有三对视素：白一黑视 素、红一绿视素、黄一蓝视素。这三对视素的代谢作用包括建设( 同化) 和破坏( 异 化) 两种对立过程。光刺激破坏白一黑视素