（光学工程专业论文）液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真.pdf

坝【j 论义液晶光阀光学 i 擎分色合色设计t i 仿真 摘要 随着高清晰度数字电视( h d t v ) 技术的发展，人们对大屏幕图像显示的清晰度要 求越来越高，这种要求是传统的c r t 显示技术难以达到的。光学液晶投影技术是实现 大屏幕，高分辨率，高清晰度现实的主要技术手段，光学数字投影技术逐步形成了一 个学科方向。 本论文着重分析了三片式液晶光学引擎系统，在色度学理论的基础上，结合光学 引擎系统，提出了一套分析设计该系统的分色合色部分的方法。通过分析该系统从光 源到分色合色和投影镜头的膜系结构，偏振特性，材料吸收等对系统能量分布的影响， 建立了各个参数与系统色度之间的关系。本论文首先通过参考现有的资料，选择元件 建立一个光学引擎系统的模型。然后对系统建立一个数学模型，用软件的方法，模拟 光学引擎的工作过程。用c + + 语言编制了软件用该软件对一个实际的光学引擎进行分 析，结果证明了该软件的实用性，证明此方法能够用于光学引擎的设计中。 关键词：光学引擎，液晶光阀，投影仪，分色合色技术 坝| j 论文 液晶光阀光学引擎分色台色没计与仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g h - d e f i n i t i o nt v ( h d t v ) t e c h n o l o g y , i ti se x p e c t e dt h a t l a r g es i z ea n dh i g h d e f i n i t i o ni m a g es h o u l db ep r o v i d e d t r a d i t i o n a lc r tt e c h n o l o g yc a n h a r d l yd oi t l i q u i dc r y s t a lp r o j e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo f t h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yw h i c h c a np r o v i d eu s l a r g e s i z ea n dh i g h d e f i n i t i o n i m a g e d i g i t a lp r o j e c t i o nt e c h n o l o g y i s c o m i n g t ob ean e w s u b j e c t i nt h i st h e s i s ，t h r e e p a nl i g h te n g i n es y s t e mi sd i s c u s s e d o n t h eb a s eo fc h r o m at h e o r y ，am e t h o df o ra n a l y s i s i n ga n dd e s i g n i n gc o l o rs e p a r a t i n ga n d c o m b i n i n gs y s t e m i s p r o v i d e d b ya n a l y s i s i n g t h et h i nf i l m s y s t e m ，p o l a r i z a t i o na n d a b s o r p t i o no fm a t e r i a l ，t h er e l a t i o ns h i pb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa n dt h ec h r o m ao ft h e l i g h te n g i n es y s t e mi s b u i l t t h e nap r o g r a m mi sw r i t e ni nc + + l a n g u a g et or e a l i z et h e m e t h o d a tl a s t ，t h ep r o g r a m mi sp r o v e nb yu s i n gt h ep a r a m e t e r so fa ne x i s t i n gl i g h t e n g i n es y s t e m k e y w o r d ：l i g h te n g i n e ，p r o j e c t o r ，l c l v ( l i q u i dc r y s t a ll i g h tv a l v e ) 倾 论义 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 1 课题背景 绪论 本课题是南京理工大学与兵器集团无锡湖光星源光电技术有限公司联合成立的 投影光学实验室的合作项目。众所周知，目前投影设备( 包括投影仪，背投电视) 的 市场发展迅速。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都属于生产链 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，国内己具备了自主开发的条件，而目前 国内整机生厂商所用的光学引擎都是进口的。无锡湖光星源有限公司投入了大量的资 会技术致力光学引擎的国产化，弥补国内在这一环节上的空白。投影光学联合实验室 成立的日的就是希望能够在这方面能够做些工作。 2 工作任务 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，如 ( l , c d ) 液晶光阀，( d m d ) 数字微镜，( l c o s ) 反射式液晶光阀等的分辨率。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 务是首先通过对不同的投影系统结构分析，综合各种因素，构建一个数字式投影系统。 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，并对如何修改镀膜元件的膜系谱线提供参 考。使系统在能显示出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。 3 本文所做工作 本论文的工作包括：首先在查阅了大量资料的基础上对光学引擎系统进行分析比 较；并用色度学理论构建了光学b i 擎系统的色调的数学物理模型；用所建立的模型编 l 坝1 说文 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 制光学引擎分色合色系统分析设计的软件；用所编的软件对某个现有的光学引擎的分 色合色系统进行分析计算，验证该方法及程序的正确性。 ! 里主旦义液晶光阁光学引擎分色合色设计与仿真 第一章投影光学技术发展概况 1 1 投影技术发展的状况 投影技术近些年来发展迅速，应用范围也从投影显示扩大到家电领域( 大屏幕背 投电视) 。 1 1 1 目前的几种投影技术 按显示方式，可以将投影技术分为以下四大类：c r t 、d l p 、l c o 、l c o s 。 c r t 是英文c a t h o d e r a y t u b e 的缩写，中文含义为阴极射线管。作为成像器件， 它是实现最早、应用最为广泛的种显示技术，由该技术实现的投影机具有显示色彩 丰富，色彩还原性好，分辨率高，几何失真调节能力强，可以长时间连续工作的特点。 这种技术的投影机在工作时，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，经系统放大、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，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。此外，由于c r t 投影机操作复杂，特别是会聚调整繁 琐，机身体积大，许多c r t 投影机重量在1 0 0 斤以上，因此该技术的投影机现在已经 被l c d 投影技术取代。c r t 显示技术已经陨落，目前占市场主导地位的是l c d ( l i q u i d c r i s t a ld i s p l a y ) 液晶显示技术，d l p ( d i g i t a l l i g h tp r o c e s s o r ) 数码光输出显示技术 成为新兴热点。 l c d 是l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 的英文缩写，中文含义为液晶显示。液晶是介于液 体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为一5 5 度 到7 7 度。l c d 就是利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化， 影响其液晶单元的透光率或反射率，产生具有不同灰度层次及颜色的图象。液晶板投 影的成像器件为液晶板，是- - t e e 被动式的投影方式。由该投影技术具有投影色彩丰富 的特点，能产生不同灰度层次及多达1 6 7 0 百万种色彩的靓丽图像。液晶光阀投影机 由光源、成像单元( 液晶光阀) 、光学透镜等组成。液晶光阀由矩阵排列的一系列小 单元组成，每个单元相当于一个像素点，通过有源矩阵控制每个像素点的开与闭，形成 一幅所需要的图像。目前的液晶光阀投影机亮度、分辨率高。是目前市场的主流产品。 它一般用于环境光较强、观众较多的场合，例如超大规模的指挥中心、会议中心以及 大型娱乐场所。随着技术的不断成熟，l c d 投影机还具有重量轻、体积小、投影分 辨率和投影亮度高等优点，并且操作简单。当然该技术最诱人的特点，可能就是价格 3 塑! ：堡兰 壅曼堂塑堂兰! ! 兰坌鱼鱼鱼堡堡兰堕塞 低廉。 l c o s 应用了反射式液晶投影技术。l c o s 技术是以c m o s 半导体集成电路为基 底，在c m o s 芯片的上面覆盖上一层薄薄的反射式液晶，液晶层上面覆盖上偏振片， 然后将它们封装好。与透射式l c d 技术相比，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。现在，国内已经研制出来了应用l c o s 技术的 背投电视。l c o s 技术直接以硅半导体层作为液晶层的基板，加工工艺上与传统的 c m o s 芯片制造工艺相似，有利于大规模生产。目前l c o s 产品在价格上高于液晶 光阀式产品，随着技术的发展，l c o s 产品的价格一定会继续下降。 d l p 是d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r 的英文缩写，中文名称叫数字光学处理技术。d l p 技术是投影显示领域一项较新的技术，于1 9 9 6 年由美国德州仪器公司( t i ) 所开发。 作为一种全数字的反射式投影技术，d l p 投影机以d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o r d e v i c e ) 数字微镜作为成像元件，完成显示数字的最终环节。d m d 芯片包含成千上万个微镜， 每个镜子代表一个像素，这些微镜面可以以每秒5 0 0 0 次的速度转动，利用t i 研制的 数字微反射镜d m d 作为成像器件，采用数字光学处理技术调制视频信号，驱动d m d 光路系统，通过投影透镜形成大屏幕图像。d l p 投影机的技术关键点如下：首先是 数字优势。与数字式液晶投影仪类似数字技术的采用，使图像灰度等级达2 5 6 1 0 2 4 级，色彩达2 5 6 色一1 0 2 4 色甚至更多。图像噪声非常低，画面质量稳定，精确的数字 图像可不断再现。其次是反射优势。与透射式液晶投影仪相比，反射式d m d 器件的 微镜面之间的间距小，反射面积相对较大，使成像器件的总光效率达8 5 以上，图像 的对比度、亮度、均匀性都非常好。很多用户希望在观看投影的时候同时拥有明亮的 环境，d l p 投影机将更多的光线打到屏幕上，这样投影的演示效果在光亮中将同在 黑暗中一样好。通常地，d l p 投影机分为单片d m d 机( 主要应用在小型投影机产品) 、 两片d m d 机( 应用于大型拼接显示墙) 、三片d m d 机( 应用于超高亮度投影机) 。 d l p 这一全数字反射式投影技术的诞生，打破了l c d 的垄断局面。 1 1 2 几种投影技术的比较 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，目莳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 1 7 7 m m x 4 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，两且存在严重台勺供不应求的现象，而l c d 技术目前却 4 坝i 论义 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 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： 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 1 3 数字投影技术的进步 投影技术从模拟发展到数字式，近几年随着各领域的进步发展，数字投影技术发 展非常迅速，主要包括： 光源更小、更亮、更长寿命，如超高压水银弧光灯，使得越来越小的成像屏 能实现高效的光会聚。 照明器采用抛物线状和椭圆状反射器及棒杆、棱镜或微镜阵列等，使得收集 系统的效率更高。 偏振转换将大部分光转变为所要求的偏振状态，使得l c d 投影机的光通量 提高到7 0 。 采用反射式工作或无偏振光工作增大开口率，使得成像屏具有更大的光通 量。微镜阵列强迫压缩光( s q u e e z el i g h t ) 经过相对窄的孔径，使光通量增大到5 0 。 倾斜的二色照明器和摄影用的光学元件( h o e ) 照明一收集器一一可以组成彩色 单成像屏投影系统，其光通量比采用吸收滤光镜产生彩色的光通量大4 倍。 其有象f 1 7 那样低f d 的较大相对孔径的投影透镜比早期透镜系统的光 通量增加了5 倍甚至更高。 类似于s r a m 的d m d s 、l c o s 和p s it f tl c d s 那样的集成光阀有可能 制成紧凑而明亮的投影机。 1 2 投影技术的发展前景 投影技术不论是在家电产品领域还是数字式投影显示( 投影仪) 领域，都有着广 阔的前景。下图所示为1 9 9 7 年至2 0 0 0 年国际与国内投影机市场情况。投影机市场的 扩大，势必带动光学引擎的需求曾长。前由于底层技术的供应商非常有限，他们的产 品供货量也大大不足，所以将出现l c d 技术与d l p 技术共同发展现象，l c o s 技术 目前在成本上展示处于劣势，但相信随着技术的发展成熟成本将有较大的下降空间， 产品也将更具有竞争力。下图1 1 为1 9 9 7 2 0 0 0 年度投影机市场销售情况。 坝l 。论义 液晶光阀光学q l 擎分色合色设计与仿真 图1 11 9 9 7 2 0 0 0 年度国际国内投影机市场情况 6 坝ff 仑0 渡船光蜘光学r j i 擎分乜合也改汁。j 仿“ 第二章相关的色度学基本理论 2 1 颜色视觉 ， kh ” 彩色的特于q ：人的视觉乏能分辫出颜色的i 种变化，即明度、色调v 饱和度。 f i 。i ：l ：和亮度密驯相关。彩色光的亮度越商，人限就越感觉明亮，后1 彳 兑有较高的 f 列度。彩笆物体的光反射率越高，它的明度就越高。 包悯是彩色彼此相i t 区分的特h ：。光源的色调决定于辐射的光谱组成刈人眼所产 1 ：_ 【! 出觉。物体的色调决定十光源的光谱组成和人眼对物体表面所反射的备波氏辐射 所，4 生的感觉。 饱和度是指彩色的纯洁性。可见光的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色掺入 的r 1 光成分越多琵僦越不饱和。自光的成分达到一定程度时，人h 醴观察时，它就不再 成为彩色光，而足白光。 颜色匹配和同色异谱现象：根据颜色混合定律，外貌相同的颜色可以柏瓦代样。 例f 1 | ，将i 、( ；、b 二原色按不同的比例混合，可以产_ 二h 常生活l - 所见的绝大部分颜 位。川心芹谱现琢足指只有相i 叫的颜包外貌的光，其光i 车的组成足n j _ 以不i 叫的。例如 川2 i 绿蕊i 赚色匹配出的白) 匕和连续兜谱的白j 匕对人呲来税是没有区别的，但它的：) 匕 潜纽成确足不一样的。 。嫩一 脱行：颜也视觉的阶段学说认为，颜色视觉过程制髟 为几个阶段。第一阶段，视 川腴自t 种独节的锥体感色物质，它们柏施择地吸收比f 蔷种小同波长的辐射，同时每 种物质义司。，狰独产生百合黑的反戍。在强光作用卜产生n 的反应，无外界刺激时是黑 的反应。第? 阶段往神经兴奋由锥体感受器向视觉q l j 慑的传导过程中，这三种反应 义咂新组合最后形成i 划+ 刈市性的神经反射，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应。这 过程如f 图2 1 所示。i ” 感受器信息加工 i 颜色感受 圈2 1 颜色视觉机理图 堕l 一论文液晶光润光学弓l 擎分乜舍色醴计与仿冀 2 2 颜色方程和颜色相加原理 以( c ) 代表被匹配的颜色，( r ) ( g ) ( b ) 分别代表产生混合色的红、绿、蓝三 原色，以最岔占分别代表红、绿、蓝三原色的数量，则颜色方程表示如下 ( c ) 斤( r ) + 占( g ) 十口( b ) 上式中的“；”号代表匹配，即视觉上相等。 根据格拉斯曼颜色混合的代替率，如果有两个颜色的光，第一个颜色光可用三原 色光数量r ，、g 、b 匹配出来；第二个颜色光可用r ，、g ：、眺匹配出来。第一个颜色 光和第二个颜色光的相加混合色，则可用三原色光数量的各自之和r 、g 、b 匹配出来。 这规律称为颜色相加原理，即 月= r i + r 2 g = g l + g 2 ( 2 1 ) b ：8 j + b 1 ) 对于一个光源的光谱，用特定的三原色光匹配每一波长的光谱色，所需的三刺激 值比例是不同的。但对于任何光源，匹配同波长光谱色的三次激值比例关系却是固定 的，只是由于光源的光谱功率分布不同，就需要对匹配各个波长光谱色的固定三刺激 值分别乘以不同的系数。因此我们在测量颜色时，首先确定三个原色，如常用的( r ) ( g ) ( b ) ，在已知标准观察者的光谱三刺激值；( _ ) ，譬( 五) ，6 ( 的条件下，就可以 以此为标准去计算光谱功率分布不同的光源的三刺激值和色度坐标。计算公式如下” r = i ，心( 五) r ( 五) 以1 - = 一 i g = f ，您( 丑) 占( 丑) d z ， ( 2 2 ) ：一i 口= i j c s ( a ) b ( a ) d l j 2 3c i e 标准色度学系统 c i e 标准色度学系统是国际照明委员会所规定的套颜色测量原理、数据和计算 方法。一组数据叫做“c i e l 9 3 1 标准色度观察者”，另一组数据叫做“c e 1 9 6 4 补充色 度观察者”。前者适用于1 4 ”视场的颜色测量，而后者适用于大于4 。视场的颜色测 量。目前在彩色电视和显示器制造上都执行c l e l 9 3 l 标准色度学系统。“” 1 9 3 i c i e - r g b 系统采用7 0 0 o h m ( r ) 、5 4 6 1 r i m ( g ) 、4 3 5 8 r i m ( b ) 为三原色，通 过实验，测出一组匹配等能光谱色的，、g 、b 光谱三刺激值( 见附表1 ) 。光谱三刺 激值曲线如图2 2 。根据1 9 3 1 c i e r g b 系统标准观察者光谱三刺激值所绘制的色度图 如图2 3 。 坝i j 论义 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 ： r ( ” r ( 刈 lg m 瓜 一b m ， | | f f l b f j) g | f ， f 么? j | 、 、 图2 2 光谱三刺激值i 、一g 、一b 曲 光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式为： r 。= = 一、 r + g + bl l g ：圭 ( 2 3 ) ，+ g + dl 。：lj ，+ g + b 1 9 3 1 c l e r g b 系统的i 、；、i 光谱三刺激值是从实验得来的，本可以用于色度 学计算，标定颜色。但是由于用来标定光谱色的原色出现负值，计算不方便，又不易 理解。因此c i e ( 国际照明委员会) 推荐了一个新的国际通用色度学系统，即 1 9 3 1 c i e x y z 系统。1 9 3 1 c l e - x y z 系统是由1 9 3 1 c i e r g b 系统转化而来。其中选用的 三原色( x 代表红) 、( y 代表绿) 、( z 代表兰) 是设想的三原色并不真实存在。建立 1 9 3 l c 【ex y z 色度系统的原则是：l 、在新的系统中，光谱轨迹上和轨迹内的色度坐 标值都为正值；2 、5 4 0 7 0 0 n m 段在r g b 色度图上基本是一条直线，新的x y z 三角形 的x y 边应改与这段直线重合，且光谱轨迹内( 代表真实颜色) 的空间与x y z 三角形 内空间的比值尽量大，这样就可以减少三角形内设想颜色的范围；3 、规定x z 线为无 亮度线，但y 既代表亮度又代表色度，这样使亮度计算比较方便。这样c i e 的( r ) ( g ) ( b ) 三原色的相对亮度关系是1 _ 2 1 0 0 0 0 ，k g l 2 4 5 0 9 7 ，b ) 2 0 0 6 0 1 t f l ! j ! i 一论史 液晶光阀光学引擎分色台色设计与仿真 对某一颜色c 的亮度方程为 = r + 45 8 0 7 9 + o 0 6 0 1 b ( 2 4 ) x y 为无亮度线则k 、= 0 ，即 r + 4 5 8 0 7 9 + o 0 6 0 1 b = 0 ( 2 5 ) r g b 系统中，十g + b = 0 ，用1 一r g 代替b ，上式就成为 0 , 9 3 9 9 r + 4 5 3 0 6 9 + 0 0 6 0 1 = 0 ( 2 6 ) 上式就是无亮度线x y 的方程。经过坐标转换届的目前国际通用的c i e l 9 3 1 色度 图如下图2 3 。 图中的e 点是等能白光有三原色各1 3 产生，其色度坐标为： ( x e = 0 3 3 3 3 ，y e = 0 3 3 3 3 ，z e = 0 3 3 3 3 ) 。 任何颜色在色度图中都占有一个确定的位置。某一颜色离开e 点接近光谱轨迹 的程度表明它的纯度，相当于饱和度。颜色越靠近e 越不纯，越靠近光谱轨迹越纯， 从色度图还可以推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。例如，q 和s 相加， 得出q s 线段上的各种过渡颜色。以q s 线段上的t 点为例，连接c t 并延长至于光 谱轨迹相交，交点处的波长就是t 点颜色的主波长，并可由t 点的位置看出它的纯 度。”3 e e t e 日x 蔷, 黄 r 1 泌 涉 ，兰 _ l 紫 j 图2 ，3c i e l 9 3 1 色度图 顺_ j 一论义 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 第三章投影系统的结构 3 1 投影光学系统的基本构成 采用光阀作为成像元件的投影系统，其结构从原理上来说是类似的。下图3 1 描 述的是典型的光阀式投影系统的构成。它由如下几部分构成： l 、光源； 2 、光学积分器； 3 、分色镜组； 4 、光阀； 5 、合色镜： 6 、投影镜头。 光阚 分色 图3 1 光学引擎结构示意图 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 ( 兰) 三束光，三束光均匀的照射 到光阀的平面上。数字式投影系统的光润是由成矩阵形式排列的像素组成，通过控制 每个像素的开闭，及开闭的程度，达到控制通过光阀的光通量，形成所需的图像。最 后r 、g 、b 三色图像由合色系统合成彩色图像，经过投影镜头投射到投影屏上。 上图中的光学积分部分也可以看作是光源的一部分，下面的文章中- 把它作为光 源的一部分来讨论。 3 2 投影光学系统的光学引擎 光学引擎是投影光学系统的核心，光学引擎的质量决定了投影系统的质量。光学 引擎由光源、成像原件、分色合色系统等部分组成。要想构建一个性能优越的光学引 擎，每个部分的原件的选择，光学参数的匹配都是非常重要的。 1 1 坝j ：论文 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 3 。2 ，1 光源 3 2 1 1 投影灯的选择 投影系统用的光源( 投影灯) 对投影系统的性能影f j 向非常大，因此选择合适的投 影光源非常重要。投影灯主要分为两大类，一类是卤化钨灯；另一类是高强度电荷放 电灯( 弧光灯) 。例如高压氙灯，高压汞灯，金属卤化物灯。第一类卤化钨灯通常用 在性能较差的投影仪中。 光源的参数中，有一些参数对投影系统的性能影l 自非常大，这些参数包括： 1 光源的功率； 2 光源的光效率； 3 灯丝的形状、尺寸； 4 光源的光谱分布； 5 其它的参数例如，灯的寿命、预热时间等对最终产品影响也非常大。 在这里我们主要讨论光源的功率、效率、光谱分布。 现在大多数的投影系统采用的是弧光灯。这种灯有个密封的容器，里面填充有 化学物质，例如氙、汞、金属卤化物等。在常温下，这些物质是气态、液态或固态的， 在达到工作温度时，填充物会变成蒸汽，正气在两端的电极作用下放电，发出很强的 弧光。灯的结构如下图3 2 所示。 稃 八t ， 桀 vi 、 v - x 弧光灯反射镜 a 聚 焦 无 穷 远 处 弧 图32 两种投影灯结构示意图 图a 和图b 在结构上类似，只是反射镜的汇聚方式不周，a 图中光线经过反射后 出来的是平行光束，而b 图中反射镜将光线汇聚到一点。对这两种等所采用的光学积 ，一 分部分是不同的，这将在下面讨论。本课题所选用的灯属于上图中的a 类。目前的绝 大多数投影系统中采用这种星光方式的灯。 坝i 。沧殳 液品光叫光学，j 擎分包合也改。仿r 0 每渊、汞灯和金属卤化物灯同属十高压弧光灯，i - i f 对这二种灯的性能做一个比 较，选择诤| i 合适的作为今系统的光源。 卜图3 3 是常用的氙灯的光谱图“3 w a v e l e n g t hf n f n ) 澍3 3 氙灯功率分伟胬 从光活hl 看氙灯的色度：忙常好，叮以看到，柏：祭个可见光区域，氙灯的光谱 i 线儿乎足i p 坦的。它的另一个优点是加电后立刻就兜，几乎不需要预热时问。另外 缸气足自然界中存任的惰性气体，不会有环境污染。m i 从另一个角度来说，氚灯也由 它的不足之处。首先是从安全的惫发柬蜕，在冷都状态下，氙灯内部的典型气压是 l o 1 3 个火气爪，更高的可达到1 9 个大气r e 。在上作状态f ，典型的是5 0 一5 9 个 人气i l i ，最高兀j 达到7 6 个大气压。如此高的内部压力fn j 能会导致爆炸，存在安全 的隐忠。 金属卤化物灯是另一种高爪放电类的光源。在它的内部填充有汞并掺有一些会 褥卤化赫，这类金属红处t 自由。气态时有非常好的光黹放射性，但是存二纯净的状念 f ，z i ：不i 蜒密封腔内能够达到的温度下，只有极少的部分原了处于自由气体状态， 绝大多数会属原子弥漫在相对较冷的石英表面卜。通过与卤族i 素化合的方法可以解 决这问题。似卤族元素中，最常爿j 的足碘元索。灯l i 。； 工作时，往密封腔内的会属 岗化物处于蒸汽状态，内部蒸汽的蚯力要大大高于相刚湍度下纯余j 禹的址力。气念的 金属j 蜀化物分子会扩敞或通过对流传热，进入更高温度n 勺电弧放f 巳温度区。在这一温 度f ，分子分解，分理出自由的余属原子，这些令属原f 被电弧激发- 放射出有特定 光瞄光。! 。j 最终温度低于il l 弧区温度时，金描圆自由平l _ i 非常活跃的碘原了结合成碘化 盐，存r 作i i j ，碘化物处- j 二一种固念一气态相互转化的动甲衡状态。 一j 川i 作金属卤化物灯的金属元紊有5 0 多利，。为了僻到所需要的光潜l i j l 线，n j 以 alc口n=c-oz 坝i 。沧t f | c 品光阀光学0 i 擎分也合也啦。仿骐 将两种或两种以卜- 的会属按某种比例混合在一起。投 j 三灯的制造小，镝兀素和钕元素 足件合金中常崩的两种稀十元素。下图3 4 、图3 5 足两种金属卤化物灯的光谱曲线 图，8 尽镎求是金属卤化物灯中的手鼗成分，但光谱特f i ：丰要取决于混合物中其它金 属原f ，这是冈为这些i 素一t 电子的能级通常要比汞粜i t 电子的能级要高。 w a k n g 小 图3 4 会属卤化物灯功率分 f i g u r e8 3 e f f o c t f i hq ni h e $ p e c l r u mo f0m or a lh o l i d ei o m p 图3 5 龠腻卤化物灯功率分n j 从h 中可以看出，金j 禹卤化物灯义非常好的色度，m 常高的发光效率，在为投影 系统门改汁的金属卤化物灯i h 发光效率可高达1 0 0 流明瓦特( 1 u m e n sp e r w a t t ) 。 同样金属卤化物灯也具何许多题，过去，金属卤化物灯的电弧相刈较长，现在在为 投影系统设汁的光源中已经解决了这个问题。i - h j u 投影灯中的i u 弧可以小于1 5 m m 。 坝h 沦殳 被品光闪光学，j i 警分心台也吐i i 1 j 仿n 它的弱一个问题是，要想达到所需要的亮度和色彩，需要很长的预热时问。这是 幽为t 蜒需要足够热d 能使会属卤化物的汽化，并进入稳定的动平衡阶段。由于不i 刊 金属元素的卤化物有小同的蒸发率，因而在达到稳定：队态之前，光源的颜色可能有较 大的变化。现在虽然投影光源的予负热1 1 j 问已大大缩短仙热需要大约1 分钟( 原米需要 5 1 0 分钟) 。 第i 个问题是，由于用多种小同的会属元素混合，各种会属元素的比重不同的， 蕉汽的爪力，气化的比率也不同，从m 导致在电弧的不同区域，发的光的颜色可能 不l 司。通常远离电弧中心区的光颜色要比靠近中心区的光更红。 超高压汞灯是一种较新的投影用j 匕源它有许多优点。首先这种等的弧光非常短， 只有1 3 r a m ；寿命k ，现在可达到4 0 0 0 8 0 0 0 小时；亮度可达到6 0 0 0 1 m ：光源的红 外部分能量低，这样光源的效率桐对就高，对散热要求也相对较低，而散热是投影系 统首要考虑的问题之一。超高压汞灯的光谱曲线如下图3 6 所示。”1 十超离爪汞灯的电弧非常短，这样配卜抛物面反射镜后可以产生较细的光束， 这对j j 使_ i = | j 1 1 ；【积较小的光阀的投影系统来说n j 以提高系统的光效率。 f ；o u m l l 4 m i l k n ；p q c h a o f l 0 0 a n d l 2 0 w u h r l a m p s 3 2 1 2 光学积分器 图3 6 超高爪汞灯功率 迎常投影灯发出的足准平行光束，也有的足汇聚光束。来自投影灯的光束截面上 能量的分们式小均匀的，通常中心部分光能量所l 上i 总比能的比例较火。这样的光远 4 ：能够氲接_ l = f | 十投影系统。为了使照射到成像原件挺【i | 的光束能昂达到均匀分伟， 必坝- 蜓l i i 刚光学积分器。光学积分器的另一个作j = | 址把来自投影灯的截面为圆形的 塑1 丝兰 鲨曼垄塑堂堂! ! 兰坌鱼鱼鱼塑丛兰堕墨 光束变成截面形状同成像原件形状一致，即矩形的光束，已达到更高的光效率。设 计光学积分器，除了要考虑光效率，光能的均匀程爱以外，体积和结构也是需要重 点考虑的因素。这关系到光学积分器的加工，在系统中安装，以及在批量生产中的 通用性和互换性。 光学积分器的种类有很多，它们的特点，原理也各不相同。在本课题中，为了最 大限度的提高系统的光效率，是光能的分布更均匀，选择光学积分器首先要考虑的是 成像原件表面光照度的均匀性，系统的光效率和通用性，选择和设计方案时要综合这 三方面的因素。而体积和加工方法不是重点考虑的问题。 下图为一种投影照明光学积分器的原理图：该系统由短弧光源、优化的椭圆反射 器、类似矩形的玻璃柱体( r p g r ) 和一组透镜组成。短弧和优化的反射器设计能使来自 灯泡的高强度光束穿过r p g r 的4 q h 使整个系统具有很高的效能。由于直接来自椭圆 反射镜的光束能量分布式旋转对称的，能量分布极不均匀；并且由于液晶光阀是矩形 的，而直接来自反射镜的光截面是圆形的，二者之间还需要转换装置。r p g r 能实现 这一功能。如图3 7 所示，圆形发散光在r p g r 内反射，在出口处被分割成许多个亚 矩形，矩形的截面积等于r p g r 的截面积。并且这些矩形的中心在r p g r 的出口面上重 合，通过透镜组亚矩形的像重合在液晶光阀( l c l v ) 的表面上，形成均匀照明。通 过增大反射镜的汇聚角和r p g r 的长度可以憎加亚矩形的数量，而被分割成的小亚矩 形越多，光强的分布越均匀。根据资料，这种装置能使光能的分布均匀性达到 6 0 一7 0 ，光效率达到5 5 以上。1 v ， ， 照明系统的光学装置替罂老裴盏羹鬟光束及其叠加成 图3 ，7 矩形的玻璃柱体光学积分 第二种是利用锥体棱镜作为光学积分器，如下图3 8 所示。从原理上来说，锥体 棱镜并不是使光在空间重新分布。他只是将来自不同角度的光束改变扩散的角度达到 均匀照射的目的。这种结构与其它已知的光学积分器结构相比，最大优点是结构简单 所占的空间非常小。而且，因为所用的元件少所以光效率就高。但它的缺点也同样非 常突出，它要求针对空间强度分布不同的光源专门设计锥体棱镜，在批量生产中，要 塑! 笙兰 鲨曼鲞塑垄兰! ! ! 兰坌鱼鱼鱼壁生兰堕壅 求一批灯的空间光强分布致性非常好，否则投影图像的亮度均匀性和色彩都达不到 效果。这个特点锺得这种结构不裁于大批量生产，雨量照明灯的互换牲差，不剩予维 修维护。因而这种结构在实际产品开发中没有被采用。1 椭圆反射镜 产 _ _ - ， 、 图3 8锥体棱镜光学积分 下图3 9 是第三种光学积分器。”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。图示透镜阵列由1 2 个透镜 组成，实际应用中可达4 0 5 0 个之多。照射到第一个复眼的每个小透镜上的光经过 第二个复眼和凸透镜( 相当于场镜) 的组合后都照射在矩形液晶光阀上。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是旋转对称的， 同时复眼透镜的每个小透镜位置的分布也是对称的，所以叠加后的光强分布相对较均 匀。 1 z3 4 5 6 7 目g 1 0】11 2 透境阵列l 、2 lz 图3 ，8 透镜阵列光学积分器 另外还有许多其它的调整方法，例如光纤调整器。类似于上述第一种玻璃棒调 整器的变形，我们知道，在光纤束的两端，每一根光纤的排列位置是不同的。当来自 光源的光从光纤束的一端入射，从另一端出射时，出刺面的光强在空间上就得到重新 分布，就能够使得来自光源横截面上可见光能量分布很不均匀的光束通过光纤后变成 能量分布均匀的光束。当光纤束中每单根光纤的截面积相对整个光纤束的截面积非常 小时，出射端光强的分布就可毒人为是均匀的。理论上出鲥面与液晶走阀的接受面应该 ：f 竺! 笙兰 一 塑曼垄塑堂堂! i 兰竺竺鱼鱼垡| 兰堕壅 是共轭的，但为了避免照射到液晶片上的光出现颗粒状，液晶片的表面应有一定的离 焦。这样，物面上的点在接受面上就是一个光斑。 3 2 2 成像元件一液晶光阀 3 2 2 1 液晶的简单描述 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，他的光学性质就发生变化，这就是液 晶的电光效应。 3 2 2 2 光阀的结构 投影用的光阀制造技术由许多种，从光的传播方向 ：分，可分为反射式和透射式 两大类。从物理现象上现在主要以下几种，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利式( 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光 阀。卜图3 9 是透射式液晶光阀的结构示意图。 4 2 、 一l 2 ， 5 层 层 图3 9 液晶光阀 在两片玻璃基板形成的液晶盒中间充满了液晶材料，在液晶盒两个端面上覆盖有 透明电极。上图中的3 偏振片也可以是镀在玻璃基板上的偏振膜，偏振膜通常是“中 性”的，它对可见光种不同波长光的透过率是几乎相同的。偏振膜的质量很大程度上 ，一 ir 板 理电层基片处导晶璃振向明液玻镝定透 1 2 3 4 5 坝l 论文 液晶光阀光学0 i 擎分色合色设计与仿真 决定着液晶器件的质量。 3 2 2 3 液晶的驱动 从电子学的角度简述液晶显示器件的原理为：在外加电场的作用下具有偶极矩的 液晶棒状分子在排列状态上发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现 明与暗，透与不透的效果。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，在每个像素上加上驱动信号，通过控制每个像素的显示状态，在整个 液晶显示器的平面上就会形成想要得到的图像信息。 液晶显示的效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这电场是由像素电极 上的电位信号差所产生的。在显示像素上加上直流电场是非常容易的事，但直流电场 将导致液晶材料的化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶材料的寿命，因此必须建 立交流驱动电场，并要求这个交流驱动电场中的支流分量非常小，通常小于5 0 m v 。 常用的液晶驱动方式有两种，即静态驱动和动态驱动。 静态驱动的原理：静态驱动的液晶显示器件上，各液晶像素的背电极b p 适量在 一起引出的各像素的段电极s e g 是分立引出的，我们在背电极b p 上加入一个正 电压( 如5 v ) ，在所要显示的像素的段电极上加入0 v 电压，造成该像素电极间电位 差为5 v ，使之产生电光效应，呈显示态；而再不显示像素的段电极上加入与背电极 b p 相同的电压如5 v ，从而使该像素电极问电位差为0 v , 不产生电光效应，呈不显示 态。由于液晶驱动要求是交流驱动，所以在另一段时问上在背电极b p 上加上0 v 电 压，同时在显示像素的段电极上加上s v 电压，不显示像素的段电极上加上0 v 电压， 从而造成在显示电极间的电位差为一s v ，而不显示像素电极间的电位差为0 v ，产生与 l 二面州i l 司的显示效果，而各像素上的平均电位差为o v 。 静态驱动电路的实现：在电路上实现静态驱动波形相对比较容易。用一个振荡器 通过分频其整形产生背电极b p 的驱动脉冲序列，直接提供给背电极上。并且将这个 脉冲序列接至异或电路的一个输入端，而另一个输入端由控制电路输出a 控制，! 丛 或电路的输出接至一个液晶像素的段电极( s e g ) 上，电路原理图如图3 1 0 所示。 当a = 1 时该像素显示，a = 0 时该像素不显示。液晶像素的电极上的逻辑输出真值表 如下。 表3 1 像素电极上的逻辑输出真值表 ab ps e g液晶像素状态 101 显示态 1oo ol0 不显示态 oll 竺! ：丝苎液晶篓阈光学哼i 擎分色合色设计与仿真 图3 1 0 静态驱动原理图 动态驱动原理：液晶光阀式投影仪中的液晶光阀上的显示像素非常多，目前通常 达到1 0 2 4 * 7 6 8 。在像素较多的情况下，若是用静态驱动结构将会使硬件驱动电路过 分庞大，没有实用价值