（光学工程专业论文）基于lcos的激光背投电视的光机设计.pdf

原创性声明 liip lii l lli i i ii ii llll 17 9 0 6 9 7 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i i 馋红 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：啦导师签名：璐日 期：上业力 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要l a b s t r a c t 3 第一章绪论5 1 1 研究背景及意义- 5 1 2 国内外发展现状6 1 3 主要研究内容及章节安排8 第二章激光投影电视光学引擎结构分析1 2 2 1 用于投影显示的图像引擎介绍一1 2 2 2 光学引擎结构方案比较及选用一13 2 3 三基色激光光源的选用1 7 2 4 用于l c o s 投影显示的偏振光学器件的研究一2 5 第三章用于激光显示的光束整形方法与器件研究3 3 3 1 传统投影显示中的光束整形方法与器件一3 3 3 2 激光光束整形技术研究3 5 3 3 相位型衍射光束整形器件的各种设计算法3 8 3 4 相位型衍射光束整形器件的模拟结果及实验验证4 9 第四章激光投影显示的消散斑技术研究5 6 4 1 激光散斑的理论分析5 6 4 2 现有各种消散斑方法技术介绍一6 0 4 3 本项目所提出的三种降低激光散斑的方法介绍。6 4 4 4 光束整形消散斑一体化装置介绍一6 6 第五章系统设计、构建及实验结果6 8 5 1 光学系统整机建模一6 8 5 2 各单元器件的设计及结构参数模拟一7 0 5 3 整机性能分析及实验结果7 3 第六章总结与展望7 7 参考文献7 8 至殳谢8 7 攻读学位期间申请的专利一8 8 山东大学硕士学位论文 中文摘要 激光具有单色性好、方向性好、亮度高等特点。采用三基色激光光源的激光 显示色域范围大、色纯度与饱和度高，所显示的图像颜色更丰富鲜艳、更接近于 自然色彩。近年来，体积小、功率高、性能稳定的三基色激光光源的发展十分迅 速，且价格在不断降低，大大推进了激光显示技术的研究和应用进程。激光显示 技术应用领域广泛、市场巨大。 本文以基于l c o s 的激光投影显示光学引擎的结构与实验研究为主要研究内 容。具体包括以下内容：( 1 ) 结合色度学和光度学理论，分析了三基色激光光源 波长对显示色域大小的影响，给出了激光投影显示中三基色激光光源波长的选择 原则；根据所选用三基色激光光源的波长及显示画面大小，并考虑到光学系统的 光能损失，计算了三基色激光光源的功率配比和所需要的具体功率。( 2 ) 对传统 投影显示中已有的多种光学引擎结构进行了分析比较，结合激光光源的特点及所 选用三基色激光光源的性能参数，从提高光能利用率及对比度等方面考虑，最终 确定了采用三片式l c o s 的光学引擎作结构；并对系统中所用偏振光学器件( 偏振 分束镜、四分之一波片等) 的作用、使用方式及其对显示对比度的影响进行了分 析。( 3 ) 以标量衍射理论为基础分析了适于激光匀光整形的相位型衍射光束整形 器件的原理，介绍了相位型衍射光束整形器件的各种设计算法及评估函数，并给 出了部分算法的计算机模拟结果；给出了相位型衍射光束整形器件的三种使用方 法，并进行了实验验证。( 4 ) 对激光显示所特有的激光散斑和背景条纹进行了理 论分析，在介绍现有降低激光散斑的各种方案的基础上，提出了三种新的降低激光 散斑效应的方案，还提出了可同时实现光束整形和消散斑的一体化装置的两种方案。 ( 5 ) 对激光投影显示光学引擎的整体光学系统进行了初步的建模分析，对部分单元 ( 如蓝光、绿光的扩束准直系统，光束整形系统，红光的聚光系统等) 进行了计算 山东大学硕士学位论文 2 模拟与设计，确定了系统中各元器件的参数及系统结构参数；构建了采用三片 o s 的激光投影显示光学引擎的实验系统，并进行了实验研究，对显示图像的光度 色度参数指标进行了初步实验测量，实验结果验证了整体方案的可行性。 关键词：激光投影显示；光学引擎；激光光束整形；消散斑 山东大学硕士学位论文 a b s t r a ct t r i c o l o rl a s e rd i s p l a yh a saw i d e rc o l o rg a m u t ，h i g h e rc o l o rp u r i t ya n ds a t u r a t i o n ， a n dt h ei m a g e s c o l o rs h o w nb yi ti sm o r ep l e n t i f u l ，m o r ev i b r a n t ，a n dc l o s e rt ot h e n a t u r a lc o l o r sb e c a u s et h el a s e r sb e t t e rm o n o c h r o m e a t i c i t y , b e t t e rd i r e c t i v i t y , a n d h i g h e rb r i g h t n e s s t h a tt r i c o l o r l a s e rw i t hs m a l l s i z e ，h i g hp o w e r , a n ds t a b l e p e r f o r m a n c ei sd e v e l o p i n gr a p i d l y , a n di t sp r i c e si s a l s ob e c o m i n gl o w e ra n dl o w e r a d v a n c e dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o np r o c e s so fl a s e rd i s p l a yt e c h n o l o g y l a s e rd i s p l a y t e c h n o l o g yh a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n sf i e l d sa n dh u g em a r k e t t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri st h es t r u c t u r ea n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha b o u tt h e o p t i c a le n g i n eo fl a s e rp r o j e c t i o nd i s p l a yb a s e do nl c o s s p e c i f i c a l l y , i n c l u d et h e f o l l o w i n gf i v es e c t i o n s ：( 1 ) t h ei n f l u e n c eo ft r i c o l o rl a s e rw a v e l e n g t h so nt h es i z eo f d i s p l a yc o l o rg a m u ti sa n a l y z e d ，t h es e l e c t i n gp r i n c i p l e so ft r i c o l o rl a s e rw a v e l e n g t h si s g i v e nw i t ht h eh e l po fc o l o rp r i n c i p l e sa n dp h o t o m e t r yt h e o r y , a n dt h ep o w e rr a t i ot h e s p e c i f i cp o w e ro ft r i c o l o rl a s e ri sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h et r i c o l o rl a s e rw a v e l e n g t h s e l e c t e d ，d i s p l a ys c r e e ns i z e ，a n dt h el i g h tl o s so f t h eo p t i c a ls y s t e mi sa l s ot a k e ni n t o a c c o u n t ( 2 ) a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gd i f f e r e n tk i n d so ft r a d i t i o n a lp 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 es t r u c t u r e s ，t h r e e - c h i pl c o so p t i c a le n g i n es t r u c t u r ei sf i n a l l y d e t e r m i n e d ，c o m b i n gm a n yc o n s i d e r a t i o n ss u c ha s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rs o u r c e a n dt h et r i c o l o rl a s e r sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，t h el i g h tu s e e f f i c i e n c ya n d t h ec o n t r a s t ， a n do t h e rc o n s i d e r a t i o n s t h eu s em e t h o d s ，a n di m p a c to ft h ep o l a r i z e do p t i c sd e v i c e s ( f o re x a m p l ep o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r , aq u a r t e rw a v ep l a t e , e t c ) u s e di ns y s t e m so n c o n t r a s ta r ea l s oa n a l y z e d ( 3 ) t h i sp a p e ra n a l y s i st h ep r i n c i p l eo ft h ep h a s e t y p e d i f f r a c t i o nb e a ms h a p i n gd e v i c e ss u i t a b l ef o rl a s e rb e a ms h a p i n ga c c o r d i n gt h es c a l a r d i f f r a c t i o nt h e o r y , i n t r o d u c e sv a r i o u sd e s i g na l g o r i t h m so fi ta n di t se v a l u a t i o nf u n c t i o n s ， g i v e sc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t so f s o m ea l g o r i t h m s ，t h r e eu s i n gm e t h o d so fi ta n di t s e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o na r ea l s og i v e n ( 4 ) t h i sp a p e rg i v e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a b o u tl a s e rs p e c k l ea n db a c k g r o u n ds t r i p e st h a tc o m e so u to n l yi nt h el a s e rd i s p l a y , p r o p o s e st h r e en e wp r o g r a m st or e d u c el a s e rs p e c k l ea n dt w op r o g r a m so fi n t e g r a t e d d e v i c et h a tc a nr e a l i z el a s e rb e a ms h a p i n ga n ds p e c k l er e m o v i n gs i m u l t a n e o u s l ya f t e r d e s c r i b i n ge x i s t i n gd i f f e r e n tp r o g r a m st or e d u c el a s e rs p e c k l e ( 5 ) t h i sp a p e rg i v e sa 3 山东大学硕士学位论文 p r e l i m i n a r ym o d e l i n ga n a l y s i so ft h ew h o l eo p t i c a ls y s t e mo ft h el a s e rp r o j e c t i o n d i s p l a ye n g i n e s o m ee l e m e n t sa red e s i g n e da n ds i m u l a t e db yc o m p u t e r t h ep a r a m e t e r s o fe a c hc o m p o n e n ta n dt h ew h o l es y s t e ma r ed e t e r m i n e d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m u s i n gt h r e e c h i pl c o s f o rl a s e r p r o j e c t i o nd i s p l a y i s c o n s t r u c t e d ， a n dm a n y e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sh a v ea l s ob e e nd o n e a tl a s t ，t h i sp a p e rg i v e sap r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ta b o u tt h eb r i g h t n e s sa n dc o l o rp a r a m e t e ri n d e xo ft h ei m a g e s h o w n ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h eo v e r a l lp r o g r a m k e yw o r d s ：l a s e rl 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 ；l a s e rb e a ms h a p i n g ； s p e c k l er e d u c t i o n 4 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 信息显示是信息社会的重要组成部分，显示技术在将信息以视觉形式传递给 人类的同时也给人类带来视觉上的享受【1 】。作为显示技术主要实现方式的电视机 已成为现代生活的必需品 2 】，其核心技术的发展非常迅速，短短几十年，电视显 示设备已经经历了黑白电视、彩色电视、高清数字电视，完成了电视显示向高分 辨率数字化的转变，但目前显示产品的色域空间仅能覆盖人眼所能识别色域空间 的3 1 8 ，难以还原真实自然色彩，要突破这个障碍就得依靠激光全色显示技术【3 】。 2 0 0 8 年9 月在北京举行的“大屏幕投影及新型显示技术论坛”学术会议上，来自 传统显示行业和激光显示领域的专家们，针对显示技术的未来趋势进行了深入探 讨，一致认为激光显示技术将成为继黑白电视、彩色电视、高清数字电视之后的 第四代显示技术 1 ，4 】。激光显示可以达到现有显示技术的所有先进技术指标，此外 还存在以下优势： 激光单色性好、谱线为线状谱，波长选择灵活多样，波长稳定性好。激光显示 的色域范围更广、色纯度及饱和度更高，所显示出来的颜色更加丰富逼真。如图 1 1 所示，在国际照明委员会( c i e ) 1 9 3 1 年发布的色度图上，三基色激光器所决 定的色域三角形面积是传统显示用光源所包含色域三角形面积的2 倍以上； 激光的亮度高、方向性好。激光显示可以实现超大画面尺寸或远距离投影显示， 且屏幕可以是平面也可以是曲面； 与传统显示相比，在相同尺寸，相同显示效果条件下，激光显示的功耗低； 激光显示的寿命长、可靠性高，在室温下寿命可达1 0 万小时以上； 激光显示无辐射、无污染； 随着半导体激光器的迅速发展及新型激光器如光纤激光器的出现，激光显示系 统可以做到小巧轻便、便于携带。 激光显示技术市场前景无限广阔，可广泛应用于家用电视、车站码头、商业展 厅、视频娱乐、工程控制、会议展厅、教育科研、体育比赛、金融交易、军事指 5 山东大学硕士学位论文 s o n y 公司于2 0 0 2 年研制出激光电视演示样机 1 】。1 9 9 8 年韩国三星高等技术学院 研制成功了2 0 0 英寸大屏幕激光投影显示系统 1 】。2 0 0 2 年韩国三星公司推出了8 0 英寸v g a 分辨率的高亮度激光电视的样机，可以获得很好的显示效果【8 】。韩国政 府2 0 0 1 年投入7 3 亿美元，在光州建立激光工程研究所，成为全球七大激光研究 所之一。在以激光为代表的下一代显示技术竞技场上，跨国公司一度占有先发优 势。日本三菱、索尼、日立、东芝、松下、韩国三星、i l j i n 、英国l i g h t b l u e o p t i c s 、 s y m b o l 等国际知名显示巨头纷纷在激光显示领域有所突破，自2 0 0 5 年至今先后有 多家公司推出激光电视概念样机 2 ，7 ，9 】。只本产业界将激光显示称为“人类视觉史 上的革命”，2 0 0 5 年6 月，在日本爱知世博会上展出的由索尼、n e c 、佳能等电器 巨头联手用激光发射器拼接而成的5 0 m 宽、l o m 高的“激光梦幻影院”显示系统的 视觉效果超出了当时所有显示技术的极限。2 0 0 6 年2 月，三菱宣布推出了4 0 英寸 激光电视机，并初步制定了产业化计划【l 】。2 0 0 7 年，索尼5 5 英寸激光电视机在美 国消费电子产品展亮相。2 0 0 8 年，三菱正式在c e s 展上推出了他们的激光电视一 一l a s e r t u ，同年该公司的6 5 英寸高清l a s e r v u e 出现在北美市场的货架之上。 在国家科技部“8 6 3 ”计划及其它科研立项的支持下，最近几年中国在激光显 示技术方面有了长足的发展。由中科院与中视达国际传媒有限公司合作组建的激 光显示专业公司中视中科光电技术有限公司，带动了我国激光产业的长促发展， 形成了系列化的实用产品和相关技术标准 1 】。2 0 0 2 年我国在激光显示技术领域获 得重大突破，中国科学院物理研究所推出全固态激光显示原理样机。2 0 0 3 年实现 了6 0 英寸激光前投家庭影院原理性演示。2 0 0 4 年由中国科学院院士、天津大学姚 建铨教授主持研究的“全固态激光彩色显示系统的关键技术研究”项目通过了天 津市科委组织的成果鉴定。2 0 0 5 年我国研发出1 4 0 英寸激光背投演示样机。2 0 0 6 年我国又推出了2 0 0 英寸样机。2 0 0 8 奥运会、残奥会期间，安装在奥运大厦指挥 调度中心的超大屏幕激光显示样机引起了广泛关注，并得到奥组委的高度评价。 2 0 0 9 年由我国自主研发的激光电视亮相于中国国际节能减排和新能源科技博览会 上，同年1 1 月由深圳企业世纪晶源科技有限公司研发的全球首款】0 0 英寸三维立 体高清激光电视在第十届高交会上面世。 早期的激光器发光效率低、电功耗大、体积庞大，难于实用化，缺乏体积小、 7 种方式可以使图像显示色彩还原性好、分辨率高、尺寸灵活；但对扫描机构及其 光学器件制作的精度、扫描速度及精度要求很高，制作难度大，对激光显示设备 的产业化不利 3 ，早期研究较多。( 2 ) 激光投影电视，其光学部分主要包括三基 色激光光源系统、照明光学系统、光调制投影系统、显示屏幕等几部分 1 5 1 8 】； 光调制显示目前主要采用l c d 、d m d 以及l c o s 三种实现方式，这种类型不需要行、 场方向的扫描系统，制作相对容易，成本较低，也能实现较好的色彩还原，但所 显示的图像分辨率会受芯片分辨率的限制；目前的激光显示研究主要以激光电视 及其它相关激光投影显示技术为主。( 3 ) 激光平板电视，它是通过对现有液晶电 视中液晶平板的改造以及对图像显示机制与颜色管理技术的革新，并采用三基色 激光光源实现背光照明；这是未来平板显示的一个重要发展方向。 图1 5 是激光投影电视系统的整体结构框图，主要包括：( 1 ) 电视信号接收 系统；( 2 ) 视频音频信号解码、图像显示芯片驱动及颜色管理系统；( 3 ) 光学引 擎。 图1 5 激光投影电视系统的整体结构框图 光学引擎包括：( 1 ) 图像显示芯片，它实现空问光调制，是视频图像由电信 号转换为光信号的接口，目前通常采用l c d 、l c o s 或d m d 等；激光光源与光学照 明系统一般由选定波长的r g b 三个激光器及扩束准直、匀光整形、消散斑、成像、 偏振、分光等器件组成，实现对图像显示芯片的均匀照明并读出图像；分色合光 9 或阵列光源的强度分布) 整形成充满指定几何形状的均匀强度分布，也就是所谓 的匀光。传统投影显示通常采用两种类型的光学器件对光束整形，一类是复眼透 镜，另一类是匀光棒 1 8 。激光电视所采用的激光光源，在偏振特性、相干特性、 方向性及光强空间分布特性等方面与u h p 光源有很大不同，将上述两类光学器件 用于激光光束整形时，会使得激光光源特有的优势不能充分发挥。适用与激光光 - 束整形的相位型衍射光束整形器件的设计算法是本部分的主要研究内容。 研究激光投影显示的消散斑组件及光束整形消散斑一体化装置 激光光源的高相干性与传统投影显示中u h p 光源有显著的不同，由此产生的 干涉与散斑效应对激光显示画面的亮度均匀性有很大影响，是激光显示中需要重 点解决的关键技术之一，也是最难解决的。这是因为相干和散斑都是由于激光的 高相干性引起的，高相干性是由激光的高单色性决定的，而高单色性正是保证激 光显示在色度特性方面优于其他显示的根本所在。为了达到宽色域等色度指标而 l o 山东大学硕士学位论文 利用激光的高相干性与为了达到亮度均匀而降低( 或消除) 激光的相干性是相矛 盾的。所以，从保持色度优势的角度考虑，不能以降低激光光源本身的相干性来 达到消相干消散斑的目的，通常做法是在光学系统中采用一定的方法和器件使得 屏幕上产生若干种不相干的散斑图样，通过各散斑图样的相互叠加，使得人眼在 积分内对激光散斑的对比度不可分辨。这样就达到了降低激光散斑的目的。目前 在激光显示光束整形和消散斑的已有方法及文献报道中，都是将两者分开独立进 行研究，这不仅增加了系统的复杂性和实现难度，降低了光能利用率，也不利于 系统小型化。新型消散斑组件及光束整形消散斑一体化装置的研发是本部分的主 要研究内容。 基于以上主要研究内容，本文章节安排如下： 第一章是绪论，包括研究的背景及意义、国内外研究现状、主要研究内容及 章节安排等； 第二章是激光投影电视光学引擎结构分析，包括各种图像显示芯片的介绍， 单片式、三片式及双片式l c o s 光学引擎的介绍比较及方案的选取，三基色激光光 源的选用及功率比求解与功率计算，基于l c o s 激光投影显示的偏振光学器件的理 论分析及实验研究等； 第三章是用于激光显示的光束整形方法与器件研究，包括传统投影显示的光 束匀光整形方法与器件介绍，激光光束整形概述、相位型衍射光束整形器件的理 论分析，各种设计算法介绍及软件模拟，评估函数分析，相位型衍射光束整形器 件的使用方法说明及实验验证等； 第四章是激光投影显示的消散斑技术研究，包括激光散斑的理论分析、现有 各种消散斑方法技术介绍、本项目所采用的消散斑方案介绍及激光投影显示光束 整形消散斑一体化装置的研发等； 第五章是系统设计、构建及实验结果，包括光学系统整体建模，各单元的设 计与模拟，系统的整体性能分析及实验结果验证等； 第六章是总结与展望，包括全文总结和对激光电视未来发展的展望。 山东大学硕士学位论文 第二章激光投影电视光学引擎结构分析 2 1 用于投影显示的图像引擎介绍 目前用于投影显示的图像引擎有两大类，一类是透射式图像芯片，主要包括 t f t l c d 器件，其分辨率在8 0 0 6 0 0 1 2 8 0 x 7 6 8 之间；另一类是反射式图像引擎， 包括基于液晶技术的l c l v 、l c o s 等和基于微电机械系统( m e m s ) 技术的数字光处 理( d l p ) 器件( 其核心部件是d m d ) 。与透射式图像引擎相比，反射式图像引擎具 有更高的像素开口率，有利于提高显示的分辨率和系统的光能利用率，比如0 7 英寸的t f t - l c d 可实现1 0 2 4x7 6 8 的分辨率而相同尺寸的l c o s 则可以实现1 9 2 0 1 0 8 0 的分辨率 2 4 3 0 。同属于反射式空间光调制器的d m d 和l c o s 的工作原理却 有很大区别，d m d 是基于几何光学中的反射理论，在视频信号的调制下，通过微电 机系统控制千千万万的微反射镜将各光束反射到屏幕的相应位置投影成像；而 - l c o s 是根据液晶分子的电光效应，通过外加电场控制各像素入射光的偏振态改变 各像元的光强值进而投影成像。 l c o s 是结合大规模集成电路工艺、利用c m o s 制程制造而成，如图2 1 所示， 完整的l c o s 芯片包含c m o s 基板、i t o 玻璃、液晶材料、隔离物、配向层等 3 1 】。 l c o s 芯片的上基板是i t o 导电玻璃，下基板是硅晶圆c m o s 基板。上下两基板的 i t o 玻璃 隔 图2 1l c o s 整体结构 基板 内侧具有液晶分子配向层，用于确保液晶分子的取向一致性 1 6 。在上下两基板 1 2 山东大学硕士学位论文 之间置有隔离物( s p a c e r ) 以形成厚度均匀的空间、并与外部隔绝，填充液晶于 基板间形成液晶层。液晶层的作用是在光束通过液晶层的过程中利用电致旋光效 应旋转光的偏振方向，旋转量和旋转次数由各像素上施加电场的大小和方向控制， 每个像素上所加的电场由相应像素反射镜后面的硅芯片驱动控制电路根据视频信 号产生。与t f t - l c d 相比，l c o s 图像引擎具有显著优势，所有的电子元件都在反 射镜的后面，节省许多像素空间，可以获得极高的分辨率；由于照明光束两次通 过液晶层传送，厚度又相当薄，可显著缩短响应时间，大大减少了拖尾现象；开 口率高且采用反射式工作方式，使其光能利用率、亮度及对比度都很高 1 7 ，3 2 。 本论文实验研究中采用l c o s 芯片作为图像引擎。 2 2 光学引擎结构方案比较及选用 光学引擎主要由光源、照明系统、图像引擎、色分合光系统及投影物镜等几 部分构成。光源发出的光经照明系统产生和图像引擎相匹配的光斑照亮成像芯片， 被成像芯片调制后携带r 、g 、b 视频信号的光波载体通过色分合光系统合成彩色 图像经投影物镜投影到屏幕上形成放大的彩色图像【1 6 】。根据所使用l c o s 成像芯 片数量的不同光学引擎可分为单片式l c o s 光学引擎、三片式l c o s 光学引擎和双 片式l c o s 光学引擎 1 6 ，2 4 。 2 2 1 单片式l c o s 光学引擎 单片式l c o s 光学引擎的基本原理是图像接收处理系统将三色视频信号分开按 时间顺序加载到成像芯片l c o s 上，同时通过吸收或反射的方式滤掉光源中各个时 刻不需要波段的光能或将光源中三色波段的光能在空间上分开分别控制，利用人 眼的视觉暂留特性实现时间混色进行投影显示。当采用普通光源如高压汞灯时， 利用高速旋转的马达带动色轮旋转实现r 、g 、b 三色光顺序照亮成像芯片( 如图 2 2 所示) 是最常见的单片式l c o s 光学引擎方案。目前类似的技术还有 d i s p l a y t e c h 发表的f i e l ds e q u e n t i a lc o l o r 结构、飞利浦公司发明的转动棱镜 结构以及日本j v c 公司的s p a t i a lc o l o rh o l o g r a m 结构等 1 6 】。与高速旋转马达 带动色轮实现时间混色相比，飞利浦发明的转动棱镜单片式l c o s 光学引擎利用色 山东大学硕士学位论文 滚动原理进行时间混色，避免了6 7 以上的光能损失，其亮度可提高两倍以上，这 种方案具有较高的挑战性，且与色轮式光学引擎一样需要精密的机械转动装置， 不可避免地要产生机械振动和噪音，目前还没有基于这种光学引擎的光机出现； 喷气推进实验室的表面等离子体可调滤光片单片式l c o s 光学引擎与飞利浦的色滚 动单片式l c o s 光学引擎一样避免了6 7 以上的光能损失，且无需机械转动装置， 避免了机械振动及其所带来的噪音，然而表面等离子体可调滤光片( s p t f ) 还处 于试验阶段。 1 卜囫 光源 色轮 圈叠圈 l c o s 投影 物镜 俯振 分束镜 图2 2 色轮单片式l c o s 光学引擎结构图 2 2 2 三片式l c o s 光学引擎 屏幕 三片式l c o s 光学引擎是目前市场上的主流形式，它将光源发出的光通过匀光 整形系统( 复眼透镜或积分方棒) 后经分光系统( 多片二向色镜、x 型分色棱镜及 其它形式的分束镜) 分成红、绿、蓝三路分别照亮相应的l c o s 面板，经l c o s 调 制后反射的三色影像通过合色棱镜合成彩色图像经投影物镜投影到屏幕上。主要 产品以j v c 的多款投影机为主，此外还有i b m 的4 - c u b e 结构、河南南方辉煌的 4 - c u b e 结构、c o l o r l i n k 的c o l o r o u a r d 结构、飞利浦的三色分解合成棱镜结构、 致伸发展的d i c h r o i c p b s 结构以及u n a x i s 的c o l o r c o r n e r 结构等 1 6 ，2 4 ，3 5 3 6 。 如图2 3 所示是f 1 本j v c 生产的h d z r f 7 s 型背投电视的光学引擎结构示意图， 光源发出的光通过复眼透镜整形，被分色棱镜分成两束；蓝色光束经偏振片起偏 后在偏振棱镜l 的配合作用下经蓝光l c o s 面板调制反射成像；与红光绿光对应的 l c o s 和偏振棱镜2 之间分别设置绿光滤光片和红光滤光片，绿光滤光片将透过偏 振分束镜的绿光p 分量滤掉，红光滤光片将通过偏振分束镜反射的红光s 分量滤 掉；剩余的红光p 分量和绿光s 分量分别通过红光l c o s 面板和绿光l c o s 面板调 1 4 i 山东大学硕士学位论文 制在偏振分束镜2 的配合作用下反射成像；三色影像经合色棱镜合成彩色图像经 投影物镜投影到屏幕上。 r l c 。s 龛垦曩璧。， ：。 、 蕊爹， 1 一i | h 冰振鍪jr 一 j 争嘏二匕 墓一。j r 缓燃m h a ， 蕊汝、 艇 移 砑 麓竺苎黼n i ，一岔一： 一 餐偏振 ， 。： 瑶 分束镜1 ； i ； 荔 抛貔渊 lj - s：篡 偏振k i 【_ 1l i 图2 3j v ch d z 6 1 r f 7 s 光学引擎结构示意图 光 光 屏幕 其它几种典型的三片式l c o s 光学引擎结构示意图如图2 4 所示。其中图a 是 i b m 的4 - c u b e 结构、图b 是河南南方辉煌的4 - c u b e 结构、图c 是飞利浦的三色分 解合成棱镜结构、图d 是u n a x i s 的c o l o r c o r n e r 结构等，其工作原理本文不再赘述。 b 河南南方辉煌光学引肇结构 鹇 i 。 构 图2 4 几种典型的三片式l c o s 光学引擎结构 1 5 l叫构 山东大学硕士学位论文 擎结构。采用三片式l c o s 光学引擎结构，可以根据三色激光各自的光束参数特性 采用不同的光路结构和光学器件，以便充分提高光能利用率。在本文研究中采用 三片式l c o s 光学引擎结构。 2 3 三基色激光光源的选用 2 3 1 典型三基色激光光源简介 早在2 0 世纪6 0 年代，人们就开始讨论用激光进行投影显示，在众多种类的 激光器家族罩，红、绿、蓝激光器作为三基色光源在显示领域占有重要的位置【6 。 气体激光器是以单一气体、混合气体或蒸汽为工作物质的激光器，常见气体激光 器有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器、氩一氪激光器、铜蒸汽激光器、 氦一镉激光器等 3 8 】。早期用于投影显示的气体激光器如表2 一l 所示，一般选择氦 氖激光器或氪离子激光器作为红基色光源；选择氩离子激光器作为绿基色光源； 选择氩离子激光器或氦一镉激光器作为蓝基色光源【1 9 】。 表2 1 早期用于投影显示的气体激光器 颜色红色绿色蓝色 激光材料h e o n ek 什斛a 件h e _ c d 波长r u n 6 3 2 8“7 15 1 4 54 8 84 4 1 6 随着激光技术的不断发展，尤其是在日益成熟的固体激光晶体生长技术的促 进下，固体激光光源已经成为激光光源的主力军。人们利用半导体泵浦激光晶体， 运用倍频或参量振荡技术，获得了多种波长的激光输出。其中绿光激光光源技术 最为成熟，市场化程度最高，一般是半导体泵浦固体倍频激光器或半导体倍频激 光器，波长有5 1 5 n m 、5 2 4 n m 、5 3 2 n m 等，功率可在几十毫瓦到上百瓦，光束质量 好，根据输出功率及其稳定度和光束质量要求不同，其价格在几万元到近百万不 等，国内外有多家公司生产。红光激光光源的技术成熟程度和市场化程度迟后于 绿光，但目前其技术参数( 功率、稳定性、可靠性及寿命等) 已能满足应用要求， 可用的红光激光光源分两种：一种是半导体泵浦经倍频的固体激光器，另一种是 垂腔面发射的半导体激光器与半导体激光器阵列，波长有6 7 3 n m 、6 7 1 t i m 、6 6 0 n m 、 1 7 山东大学硕士学位论文 6 4 0 n m 、6 3 5 n m 、6 0 3 n m 等，功率在几十毫瓦到几瓦。蓝光激光器长期以来是激光技 术的难点之一，缺乏高功率、高稳定性、低成本的蓝光激光器也是制约激光显示 技术发展和市场化的主要因素之一，近些年来在技术上已有所突破，已有产品的 波长为4 4 2 n m 、4 4 3 n m 、4 4 4 n m 、4 4 6 n m 、4 4 7 n m 、4 5 7 n m 、4 7 3n m 、4 8 8 n m 等，目前 其价格比较高、性能参数还有待提高。表2 2 是文献 1 9 中报导的国外某些研究单 位在激光显示中所采用的半导体泵浦激光器的波长。 表2 2 各种d p l 同体激光波长 单位红光n m 绿光n m 蓝光r i m 日本索尼 6 4 2 5 3 2 4 5 7 德国l d t6 2 85 3 24 4 6 美国l p c 6 5 6 5 3 2 4 5 7 美国q - p e a k 6 2 85 2 44 4 9 瑞士e t h6 0 35 1 54 5 0 近年来激光显示技术广受关注并蓬勃发展，展现了巨大而广阔的市场前景。 国内外已有多家公司生产用于激光显示的激光光源，如：美国的n o v a l u x ，i n c 、q p c l a s e r ，i n c 公司，匈牙利的r g bl a s e rs y s t e mi n t l t d ，中国的北京中科思远光 电科技有限公司、长春新产业光电技术有限公司及北京中视中科光电技术有限公 司等。 2 3 2 三基色激光波长的选取及标准白光的确定 三基色激光波长的选取 由格拉斯曼颜色混合定律第四条颜色代替律可知，人眼对不同波长的单 色光会产生不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可以来源于不同的光谱成分的 组合。人们在进行混色实验时发现自然界中出现的各种彩色，几乎都可以用某三 种单色光以不同的比例混合而得到，具有这种特性的三种单色光称为基色光，这 三种颜色叫作三基色 4 1 4 3 。三基色原理是选取三种相互独立的色光( 即任何一 种色光都不能由其它两种色光以任何比例混合而得到) 以各种比例混合产生自然 界中的各种彩色，其色调与饱和度由三基色的混合比例确定、亮度等于三基色的 亮度之和；自然界的绝大部分彩色也可以分解为这三种相互独立的基色。三基色 原理为彩色电视技术奠定了基础，极大地简化了用电信号来传送彩色的技术问题 1 8 _ 山东大学硕士学位论文 ( 这是因为自然界中的彩色是千变万化的，如果用一种电信号传送一种颜色，那 就需要成千上万种电信号，这在实际中是办不到的) 。根据三基色原理，我们只需 要把要传送的各种彩色信号分解成三个基色信号，然后再将它们变成三种电信号 进行传送。在接收端，用这三种电信号分别驱动相应的显示芯片，各芯片在这相 应电信号的驱动下形成三基色影像，三基色影像通过合色系统经时间混色( 或空 间混色或时间混色空间合色) 在三基色光的配合照明下就能重显原来的彩色图象。 三基色光源的选择原则上是任意的，只要满足相互独立条件即可，然而所选三基 色在色度图上包含的面积越大显示图像的色彩越丰富，所用三基色纯度越高( 即 单色性越好) 显示图像的色彩饱和度越大。对于激光投影显示来说，选择何种波 长的激光作为显示用的三基色光源直接决定了最终显示图像的色彩逼真程度、彩 色饱和度及色域大小。 激光投影显示三基色激光光源波长的选择原则是：不违反三基色原理， 使所选的三基色激光在色度图上围成的三角形面积尽可能地大，所选三基色激 光波长使显示图像饱和度尽可能地高，所选三基色激光波长使得所用激光总功 率尽可能地小，所选三基色激光波长使得在相同功率下达到的显示亮度尽可能 地高。从色度图上可以明显地看出选择红、绿、蓝波长的激光对电视显示最为合 适，为能够具体地选出最佳的三基色激光光源的波长，下面对如图2 5 所示的国 际照明委员会( c i e ) 1 9 3 1 年发布的色度图进行分析 4 l 】。 【 | 、 心 1 名 1 4 口 塑0 , 6 铆物 图2 5c i e - 1 9 3 1 色度图 【x 】轴为红基色、 y i 轴为绿基色、【z 】轴为蓝基色( x + y + z = 1 ) ，它们都落 在光谱轨迹的外面，在光谱轨迹外面的所有颜色都是物理上不能实现的。 1 9 山东大学硕士学位论文 光谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的直线所构成的舌形区域包括了一切物理 上能实现的颜色。 所有单色光都位于光谱轨迹线上，其单色性最好、饱和度为1 0 0 。连接轨迹 线两端的直线并非轨迹线的一部分，其上的点不代表某种单