LCOS光学引擎的仿真设计

1、目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 1绪论1引言1 HYPERLINK l bookmark4 国内外发展现状3 HYPERLINK l bookmark6 2LCOS光调制技术综述5 HYPERLINK l bookmark8 2.1LCOS光调制原理5 HYPERLINK l bookmark10 LCD背光源相关知识7 HYPERLINK l bookmark16 3基于ZEMAX软件的LCOS基本原理仿真11 HYPERLINK l bookmark18 光学设计软件ZEMAX11 HYPERLINK l bookmark20 基于ZEMAX的L

2、CD背光源设计12 HYPERLINK l bookmark54 基于ZEMAX的LCOS光学引擎设计21分析29 HYPERLINK l bookmark110 4全文总结30 HYPERLINK l bookmark112 参考文献31 HYPERLINK l bookmark114 致谢33绪论引言LCD(LiquidCrystalDisplay),中文是液态晶体显示器，简称为液晶显示器。早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性1。到20世纪60年代，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或

3、折射。这种在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化，从而影响到它的光学性质，这种现象叫做液晶的电光效应。人们也因此引发了发明液晶显示设备的念头。世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为扭曲向列液晶显示器TN-LCD(TwistedNematic-LiquidCrystalDisplay)。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。近年来液晶显示器发展迅速，与传统的阴极射线管CRT(CathodeRayTube)显示器相比，LCD不但体积小，厚度薄，重量轻、耗能少、工作电压低并能直接与互补金属氧化物半导体CMOS(ComplementaryMetalOxideSemi

4、conductor)集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。逐步取代笨重的CRT显示器，目前已成为主流的显示设备。近几年来，在LCD业界出现了许多新技术，其中较热门的技术是LCOS。LCOS最大的优点是解析度可以很高，在携带型资讯设备的应用上，此优点是其他技术无法与之看齐的。缺点是模组的制程较为繁琐，各生产阶段良率控制不易，成本难以有竞争力。目前只能停留在需要高解析度的特定用途中，如液晶投影器。2LCOS技术一经推出便在全世界范围内造成极大影响，但由于制造工艺等方面原因，目前基于LCOS技术的产品还没有形成大规模量产，只有少数厂家开发出了应用于投影机的LCOS芯片

5、和应用LCOS技术的投影机及背投电视机。LCOS技术在以后大屏幕显示应用领域具有很大优势，它没有晶元模式，且具有开放的架构和低成本的潜力。省电、便宜与高解析度为LCOS最大优点。LCOS可视为LCD的一种，但传统的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS则是长在矽晶圆上。和LCOS的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶矽LCD为代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3%左右，解析度不易提高；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达40%以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，易于提高解析度。反观高温多晶矽LCD则需另投

6、资设备，且属于特殊制程，成本不易降低。3,4LCOS投影芯片除了拥有理论上最低的成本外还具有着其它的显著优点。和LCD比较，LCOS技术仅拥有一个光学面，从而能够利用另一个平面配置驱动电路。进而达到驱动电路和芯片一体化的产品结构。普通的LCD有大量密集的外部引线，如一个1024X768像素点阵的LCD便有2592条外部引线，给整机装配带来了诸多不便。LCOS由于是将LCD制于单晶硅片上，LCD的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与IC相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。5普通的LCD透光的光学结构决定了两个光学平面必须保持“

7、干净”。这使得像素分子中间不仅要包含LCOS技术液晶层所需要的像素涂布的分割网格，同时还必须拥有芯片工作必须的“电线”等电子设备。这些设备占据了大量的芯片光学面积，使得芯片的开口率在早期很难突破40%。但是，采用单光学面工作的LCOS芯片则可以轻易形成超过90%的开口率。此外，普通的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。通常将像素制至0.28mm已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件（这些因素也影响到产品的开口率）。但LCOS的像素是制在单晶硅片上，硅片采用LSIC的工艺进行加工，可将象像制至4口m以下。像素密度的增大必然带来芯片体积的减少，材料费及成本自然便会大幅度地降低

8、。6,7,8和德州仪器的DLP投影技术的DMD芯片相比较，LCOS技术具有工艺简单的特点。采用微电子机械学的DLPDMD芯片不仅仅使得各种工艺难度大幅增加，同时对成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面临着严峻的挑战。DMD芯片北背部的驱动层和LCOS芯片很是相似。但是在光线的控制上，DMD采用机械式的镜片旋转（大约每分钟5000次），而LCOS技术却采用液晶材料的光学各向异性形成，是一种从电子的操作。这种在光学控制上的不同导致了LCOS芯片不需要向DMD那样复杂的“微型的电子机械结构”。这不仅仅能够节约成本，从长远来看还能保障成品率的优良比例，并同时提高芯片的可靠性。同时，微电子机械的结构决定

9、了DMD芯片工艺的复杂性，使得这种芯片在高分辨率产品上的突破成为难点。91.2国内外发展现状LCOS投影技术拥有者几乎DLP技术和LCD技术的全部优点，同时很好的克服了二者的不足之处。这也是LCOS产品之所以被称为投影产业未来之星的原因。但是，LCOS产业化的道路却并非一帆风顺。目前困扰LCOS产业成为投影机产品领导型技术类型的原因主要有两个。其一是成品率问题，其二是来自竞争对手DLP的竞争。LCOS芯片需要在高度抛光的铝层上紧密结合液晶分子材料。这一步骤是导致LCOS芯片成品率较低的关键。液体和固体表面的精密结合，满足优秀的光学成像随需要的精度，是LCOS芯片工艺改进的最主要方面。成品率问题

10、直接导致LCOS投影机的价格并不具有良好的竞争优势。尤其是和全高清分辨率以下的单片式DLP产品比较，DLP产品的价格往往要低于LCOS产品很多。在产业竞争上，LCOS最大的优势在于没有形成类似于LCD和DLP投影机那样的垄断态势。DLP投影机的芯片只有德州仪器拥有技术，并且受委托生产的企业也很有限。LCD技术的芯片技术相对好一些。由索尼和爱普生两家公司所掌握。但是，向外提供芯片和光机的企业却只有爱普生。索尼LCD新品以自用为主。而且在高端产品上索尼早已经完成了向LCOS技术的转型。这种核心技术垄断的格局必然造成产业发展的滞后。尤其是在LCD产业上，具有芯片技术的企业又是最主要的终端企业，这必然

11、造成自己的客户是自己的主要竞争对手的局面。DLP技术的持有者德州仪器本身不生产投影机产品，这样就避免了上游厂家和厂家的竞争，形成良好的产业价值链。目前在全球市场DLP产品无论是市场规模还是支援企业数量都超过LCD产品。而LCOS产业在这一点上则更具优势。LCOS芯片基本采用半导体产业和液晶产业成熟的大众型技术。这使得许多公司都可以跳过核心专利门槛来开发属于自己的芯片产品。能够拥有一款产品核心产业链是获得竞争实力和创造更高的企业价值的良好基础。单凭这一点，LCOS就可以成为最受投影企业，尤其是崇尚创造性制造的企业最喜欢的技术类型了。但是没有一个核心企业来领导的LCOS产业也具有其固有的弱点。那就

12、是标准不统一、实力分散。这样的特点必然能够给竞争对手留下更多的机会。同时，也是至今LCOS投影机只能在那些注重性能的领域获得良好市场表现的原因之一。因为LCOS的成本优势需要规模化的制造，而规模化的制造则必须建立在统一的行业标准之上。本论文要完成的任务是：（1）LCD背光源和LCOS光调制原理的相关知识介绍；（2）光学设计软件zemax简介；（3）基于ZEMAX软件的LCOS基本原理仿真；（4）全文总结。LCOS光调制技术综述LCOS光调制原理LCOS（LiquidCrystalonSilicon）,即硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片

13、上加工制作而成。像素的尺寸大小从7微米到20微米，对于百万像素的分辨率，这个装置通常小于1英寸。有效矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。像素的电极也是一个反射镜。通过透明电极的入射光被液晶调制光电响应电压将被应用于每个像素电极。反射的像被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大成像到大屏幕上。采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式来形成图像，光利用效率可达40%。与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也将有一定优势。LCOS投影显示实际上是背投显示的一种。投影机固定安

14、装在箱体的后部。它发出的图像经过高品质反光镜的反射（可能是多次反射）,投影在半透明的背投屏上。观众看到的便是部分透射的图像。在这个系统中,投影机（光引擎）是其中最核心的部件。总的说来，LCOS光引擎所起的作用是把电学图像信号转化成为可供观看的光学图像信号,并同时把它放大、投射出去。这其中,液晶板承担了电信号转换为光学图像信号的具体任务。但是，由于液晶本身并不能发光，因此在实际应用中还必须为它提供合适的照明光。这样，图像信号和经过光学器件处理后的照明光一起作用于液晶板，最终产生所需要的光学图像。与穿透式LCD和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高、制造技术较成熟等特点，它可以很

15、容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。由于LCOS尺寸一般为0.7英寸，所以相关的光学仪器尺寸也大大缩小，使LCOS-PTV的总成本大幅下降。11,12,13空间光调制器英文名称是SpatialLightModulator，在文献上常缩写成SLM。顾名思义，它是一种对光波的空间分布进行调制的器件，一般地说，空间光调制器是指在信号源信号（控制信号）的控制下，能对光波的某种或某些特性（如相位、振幅或强度、频率、偏振态等）的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制，从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中的器件。控制信号可能是光学信号，又可能是电学信号。空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间上排列

16、成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。一般把这些独立的小单元称为空间光调制器的“像素”(pixel)，把控制像素的信号称为“写入光”(writelight)，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”(readoutlight)，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”(outputlight)。形象的说，空间光调制器可以看作一块透射率或其它光学参数分布能够按照需要进行快速调节的透明片。显然,写入信号应该含有控制

17、调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程，称为“寻址”(addressing)。光寻址时，实际上是利用适当的光学系统把一个二维光强分布成像在空间光调制器的像素平面上，便可以使写入信号的像素与调制器的像素在空间上一一对应，实现寻址。因为在时间上所有像素的寻址是同时完成的，所以光寻址是一种并行寻址方式。其特点是寻址速度最快，而且像素的大小原则上只受寻址光学成像系统分辨率的限制。但要防止写入光和读出光之间的串扰(crosstalk)，通常空间光调制器做成反射式的，在其中有一个隔离层，使两光互不干扰；也可以使用不同波长的光，利用滤光片消除它们之间的串扰。电寻址时，一对相邻的行电

18、极和一对相邻的列电极之间的区域构成像素，由于电信号是串行信号，所以电寻址是串行寻址，一旦在光信息处理链中有一个电寻址，二维并行串行处理就被一维串行处理代替，处理速度立即降下来。另外，电寻址是通过条状电极来传递信息的，电极尺寸的减小有一个限度，所以像素尺寸也有限度,即有一个分辨率极限。由于电极本身不透明，所以像素的有效通光面积与像素总面积之比开口率(fillfactor)较低。光能利用率不高。14LCOS器件的驱动电路制作在像素的后方，可以有效地增加像素的有效利用面积增强光能利用率。而且，可以有更多的空间集成相应的驱动设备。因此，LCOS器件在光能利用率、集成度、可靠性方面具有巨大的优势。总的说

19、来LCOS具有制造上的优势，可以利用现成的CMOS工艺制作显示芯片，在成熟的LCD生产线上进行封装，可以有效的缩小器件的体积，并能大大增加器件的光能利用率。为了保证快速响应速度和防止边缘电场畸变效应，一般的LCOS的液晶层厚度取的比较薄。LCOS这些作为显示器件方面的优势同样的在空间光调制方面具有应用的前景，比如开口率的增大极大的提高了光能的利用率，虽然像素的减小增加了衍射的能量损失，但是高密度的像素可以实现更为精确的波面控制和相位调制等。同时由于LCOS是反射型的器件，光在器件中传输的有效光程增大了因而具有更大的相位调制量。虽然液晶层厚度的减小降低了相位调制效应，但是可以实现更快的响应速度。

20、MlLCD背光源相关知识众所周知，由于液晶显示器本身并不发光，这就需要找一个背光源来作为薄膜液晶体显示器光源的提供者，背光源的表现便决定了液晶显示器表现在外的视觉感，其作用不言而喻。简单来讲，背光源是将背光模组内的点光源或线光源转为均匀分布的面光源，并搭配薄膜控制视角，提高光学特性，使液晶显示器达到完美显示的目的。目前在LCD面板中常用的BLU,按光源设置位置来分，可分为侧光式和直下式16,17,18。直下式BLU一般用在大型TV上，从下到上的结构依次是金属背板、反射片、CCFL灯管组、扩散板、下扩散片、上扩散片、增亮膜。上扩散片与增量膜的位子不固定19,20,21。框、反光片、CCFL灯管、

21、导光板、下扩散片、增光片（Notebook：水平方向及垂直方向各一张，Monitor和TV：单张水平）、上扩散片22,23,24。扩散片増光片扩散片导光扳CCFL金俺背框反射片图2.2双灯管侧光式背光源结构图LCOS光调制原理及器件结构LCOS即LiquidCrystalonSilicon是在矽晶圆上长电晶体，利用半导体制程制作驱动面板（又称为CMOS-LCD），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装测试閃。LCOS利用CMOS半导体制程，将电路及平面的反射镜做在非常平滑的硅芯片上做为基础，然

22、后再于此一平面的硅基上涂布LCD，并将液晶着床于硅芯片之上，然后再覆上一片非常薄的玻璃。实际应用时，是把光线由外部投射至芯片之上，再由芯片上面那层LCD的明暗变化来决定要反射多少的光线出去，而此一反射率之变化则是受到影像讯号的调制；因此，只要把影像讯号加诸于硅芯片，经由芯片反射出来的光线就会随着视讯产生变化，此一变化再经由透镜投射至银幕，就变成可以观赏的投影机画面了阴。LGD投影原理背光源面板gilvLCoS图像芯片LCoS投影注学引孳LED光憑14头屏幕图2.3LCD投影原理及LCOS成像原理由光源所发出的光经由双色镜后分成R、G、B三色光，分别通过各自的PBS后,会反射S偏光进入LCOS面

23、板，刚刚产生的彩色光束同时与三个LCOS微型器件之一相接触一一它们分别对应红光、绿光和蓝光。当液晶显示为亮态时，s偏光将改变成P偏光，最后以双色棱镜组合调变过的三道偏极光，投射至屏幕处得到影像。红色LCOS蓝色LCOS图2.4LCOS对光进行调制成像的原理LCOS微型器件把液晶层放在一个透明的薄膜晶体管（TFT）和一个硅半导体之间，而不是像LCD那样把液晶放在两片极化面板之间。这个半导体具有能够反射光线的、失真的表面。由灯泡发出的光透过一个偏振滤光器投射到微型器件上，而液晶起着像门或阀那样的作用，控制到达反射面的光线的数量。特定像素的晶体接收到的电压越高，该晶体允许通过的光线也就越多。完成整个

24、过程需要若干层不同的材质。下面从下到上介绍了LCOS微型器件的组成部分及其功能：印刷电路板（PCB）:将指令和电流从电视机传输到微型器件。硅（芯片或传感器）：使用来自电视机像素驱动程序的数据来控制液晶，通常为每个像素使用一个晶体管。反射涂层：反射光线以产生画面。液晶：控制到达或离开反射涂层的光线的数量。对准层：使液晶能够正确对准，从而能够精确地校准光线。透明电极：与硅和液晶一起组成完整的电路。玻盖：保护和密封整个系统。图2.5LCOS微型器件的组成基于ZEMAX软件的LCOS基本原理仿真3.1光学设计软件ZEMAXZEMAX是美国FocusSoftwareInc.所发展出的光学设计软件，可做光

25、学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX的CAD转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系统和非成像系统，ZEMAX光学设计

26、程序包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。ZEMAX能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。ZEMAX的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使ZEMAX时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计

27、的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。ZEMAX主要特色：分析提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP，*.JPG.等，也可存成文字文件*.txt。优化表栏式meritfunction参数输入，对话窗式预设meritfunction参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用，诸如LocalOptimization可以快速找到佳值，Global/HammerOptimization可找到最好的参数。公差分

28、析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。ZEMAX可用于Projector，Camera，Scanner，Telescope，光纤耦合，照明系统、夜视系统等。基于ZEMAX的LCD背光源设计采用LCD背光源作为系统的光源。原理图如下：TIRREFRACTION4厂图3.1LCD背光源原理CCFL作为光源，反射源放在背后以提高系统的效率，楔形导光板进行全内反射以提高光线的均匀性，增亮膜用于控制发光强度和发出光的偏振。打开zemax，在非序列线性编辑器下建立侧光式背光源模型。各部分参数如下：QK

29、an-yntidCamparwrtEdiLarr-!srhnn-ri-j-|：taineijcth?*nwKnT-iXrec-KFcsicicmTFsic-iDn.EfftiHiriOBTilrMniix-XliiGNhhjcyi3GUEGC-lUtoEHFLfi5?-3T.3QDQ罰G臥DgW,Q6DzCylindecvgiuneGCE1TnJwij-3T,30tipD-QDDpFW-NDi3JxcugLFltl-=kcraa.aooa.coa-1.004lj!CiJaE.KAflfteLOcqar.soaa.oaca.ociogRtzeg】亡lEarUflhHleeEeiE,0-37.50

30、Ca.eooO.-DOO现販Itci-uigdliLXValjuQMMi.oacl.00-1.116D.C-D3?R-c:-anjEaciTonHe-Elitor0O.QOD-Q.-EDDaa.tao,？Q9CiiQDF.CT-angileSldfiHeClmRorQ-3.30QiDO3Er5QQQ.QQPwn9RtGNnvlESideFeEleGtiarQ3Ti5CiHiQaD-3B.1DQ0.D7SW,WD10bB=T-BnnlandlHa-la-rtE-E-0d.gn0.400d.iKa113lullOsA-LREFU.E&o.aOfi去J口口-lO.dOD4DD12Jt=cL-aniu

31、la.=:冒dlSu11o.aocia.OQa0-4HOC.DEa逊13血1工上fridBC；3EF|11了，侶p37h日5pa.dogG.OC-ZiieAsraBEFM/24-1.El.ODO-D.OOOa.ooaisteTtzTioid.c:-anle11.aoa.ODDD.JDO0.0036MCI图3的型号、结构、坐标参数匕呦叶汕iJElialfEpEfn：咼丁EdiiSo忡HTod#ltwHelp0ta：BCTI、珅XJlaLfIElirHlZbtXtpgRIncaEyp&CalorTstaElODCIOliODDzCrlin-ieinlaMPF山倾P3EL-=nn.3-=HIUZH.

32、susuga.DDD-QGO3T.MQj.nao41ADMf.006t51l.hMP2.000FP.C0:-ui0u.l-&iValrarjt3CRTLIC即：會D2.0QGT5.ODDSTEOGD.50DO.DOOTMIELKCfl3.T,frOD3?.ego我曲R；U(Dfljt,e-?g3-lP$HIt-2R37-iJn空Z10HIEJKfl3?.t-5Qs.ino111旳扫詐-1Z3rctflini;-STol/：汀已FHMfiIT,59mumsfl.U+DP37-mF3T,wdPgBg13icbaiE|u.!axb!aiixaf-HMA.Po.anPd.D12PC.OiSFS血C.O

33、dOL4-L9515DUtEiP10.伽P5.024P15LstviKtniECCBi?leADSORB1T,3h3Q37.&0QMEID2上图3.2.2侧光式背光源各部分的材料、XY半宽度、像素参数匕htn-SrqucrTtulCemfarHn!:Editor空如拆日T叔十Q*赶mTip*9CJ.14Pl9c41aFromOnljPSFOaSn34AJifll*Hl!&XAjiIqHsnV丄叩1录Mir：TAnglbHimpm1SoiainTutaiZCjrlindci说Xube3Ecan.3=S3=a.-=a1DD4IGi5hLarleWm.亡ciugg注hhMLaD.COOLb14j:7

34、FieoranleDSect-siajlE9RtEasleid卫U5H：iiitr-aii鈕)me.123luaEaaVu-l-axLujeD.iQ0唤13RCi3G4Jb0lL14Z牝1UOED.COD叽唤-fl鼻hFY1.H3Qe-awV.C4Q0-QQQ.QOOQ.QOQ04DQ19Dpttetrr0-flK9?.5QP典-QQQ盹胡0图3.2.3侧光式背光源各部分的倾斜角、极化率激发的电子撞击表面涂层材料的CCFL发光，楔形导光板和丙烯酸材料构成一个长方体的体积对象，该对象允许不同的端面尺寸和倾斜角。这是因为，我们要保持导光板的倾斜角以和XZ平面平行，需要Y的位置略有变化，pickup

35、确保倾斜的前部和后部的面平行于XZ平面。增亮膜是系统中最复杂的部分，用于控制发光强度和所发出的光的偏振。我们采用BEF90/24。数组对象只能作为父对象的内存，可以通过调整参数改变整个阵列，因此可以节省在射线追踪期间所花费的时间和大量内存。确定设计时经常使用的标准是能源效率和均匀度（照度和发光强度），能源效率是接收到的光能与发射源发出的光能之比。光线追踪与探测器控制设置，得到：图3.3.1光线追迹与探测器控制设置我们看到，在探测端，有约40%的能量损失，根据随机性质的蒙斯卡洛光线追迹到百分之几，这个值可能会有所不同。有一些能量损失，是因为射线错误，但这在应用程序中是可以忽略不计的。大部分的能量

36、损失，经过多次光反射，由光吸收和散射造成，但是由于阈值的存在，有将近10%的能量损失，要消除这方面的损失，可以降低最小相对射线幅度。如果能量损失显著，通过这个方法可以减小损失，但会明显放慢光线追迹速度，1E-6降低能降低能量损失1%,并增加约46%的效率。图3.3.2光线的最小相对强度Q|1:Det&rtorVev/erI匸,I凹UpdateSettingsPrintWindowTextZoom1E-F01E-L1E-Z1E-3IE-4BEILISS工工Hd匸IHEEENT工LLLI門工NRHi二E图3.3.3非相干光照度1:DetectorVeweiUpdateSettings-PrintW

37、indowTerfZoomlEtfl1E-LIE-2IE-35EIECTDEZHfiGELJJHINM工卜厅曰侶工T图3.3.4发光强度发光强度如图所示，并不是理想的均匀分布在几个峰值，这种发光强度分布是楔形导光板和增亮膜的特点。引入楔形导光板的散射特性，应用朗伯散射，设置导光板:QOObjecProptrt图3.3.5导光板设置追踪射线并观察输出特性的差异：1E+S1E-L1E-Z1E-31E-H1E-5ETECTUF?工HHGE；工忖CDHEEENTILLLI鬥工HHHCE图336应用朗伯散射后的非相干光照度1EtI1E+0IE-LIE-3JE-31E-H图3.3.7应用朗伯散射后的发光强

38、度该系统的效率提高了几个百分点，照度均匀性大为改善，发光强度略有好转，但仍然需要解决一些热点。在7表面下插入一个长方体的体积对象，Y轴位置=2,，倾斜=-90，材料：空白，,长度。Orwa17.5HdMtmid卡TrcuTi珂乱砒R$-1.65&勺寿繭独.百r-HCELEJ-LZy.-Ni二i主=3axoad电aaQDD-1.1Ea.fjOAngl4AfltlBSCCZdjOM厶负$d.5MSi湎QSJiRf:Riflpne-ii-TDg-：37.fin&a.abcID.bpDa.tmaa.9SidThEXiecox耳a97iDD汕亠004.DD3010fbE：包工亡EnaAeClEaccx4

39、.000q.ateTf.lNi4潞a11g37,QM3山gM.口於g.HXe:.K0.DAa.图3.3.8各部分的型号、结构、坐标参数0IScn-tHIJIITlH1LSTipWWKtdlcHEditTpaiViH口dCETtfbFileJttHZUE.YIxlTUioue,ZHbebfsbIXHuLEUldE.VPl土Hi.d.-=hf玄P3H1X13fFlxhIhtUEl9Mjl*4Edb9Q.IMB*uMDbD3ILinri*r7a-jrac.ocaF.jDG!D.SiMF1E.QQDID.bMF言BLccnacSusEm札gft1.0000.M44lOEiD3T.M04d.wa5i-a

40、ackfTRLKl3PJ.OQ&P9KiRUHngA90.&M4-aotMRAO鼻1.0Q4FJ.ODtTtV-*.swAJYLIC7环t.044.DDtHEUKQ.3T.bM31.UM6fjMzarlaao.eco4.ddfiriliUKjt.1.4042.IOCQ3b*-L1T5-91il.OOQ泊MblL.gjrKl0.444.MECBr-LiirT-p.,4.DpGWk.3T.2441.900D.04QF9.3DpP31.5u00Osmi.V&i01ird.auF4.DUIF&BMdArrT0-PQD-L?!Fg4。？百rMltiiCCOf4_d6b3I.BIJ4I图3.3.9各部分的

41、材料、XY半宽度、像素参数CdlarWhirchnjpSul*幘rSla&l*TraauflnlyDFOi-ntIngXMiaIUkE7JLr4EWinT“晒n5efdfTubvT3-OM.3QD*CyliodarVbluBMEicomoSuxlact如-37.&0621a4LF.wnijlp9-ti=*nqlc；l-：-7-；r,.i：-.D.M4l.ilgS-OOO1-询f1RFr-：Mnq1tirtanglHRECTiU141-fphrrrkfrayi.oagl.DEiD3.flilbnone72OKCancelSaveLoadResetHelp图3一维通用图设置设置数组对象5E-3的Y

42、“delta2”参数：NON-LINEFIRARRAYSPA匚工NGUS.HFWRLUE图3设置数组对象5E-3的Y“delta2”参数得到最终的输出特性:1E+0E-Z1E-G口ETECTDR工MRGE：INCDHE民EMT工LLLIN工NRMUE图3背光源最终输出的非相干光照度EtL1E+0E-L1E-21E-31E-M匚lETECTUR工HFIGE；UmiNM工MTENEIR图3背光源最终输出的发光强度此时，已上升到接近60%的系统效率，如果减小最小相对射线强度的阈值，效率接近62%。至此，光源设计完成。基于ZEMAX的LCOS光学引擎设计使用2层偏振片代替LCOS器件中的液晶。透过式L

43、CD，由于液晶层中有无数微型电子器件，会占据一定的空间，使光不能透过，最终影响光通量和成像质量，而反射式LCOS的微型电子器件在反射层背后，不会影响光的透过率。假定从偏振片投射出的光和经硅基反射层反射回来的光相同，不计损耗。在光源上方插入两个JonesMatrix,第一个作为起偏器，设为偏振方向平行于X)一轴的线偏振片，矩阵为-一，第二个作为检偏器，设为偏振方向平行于X轴的线偏振(10)片，矩阵为，此时两个偏振片的偏振方向相同，光线可以通过。输出特性如图：DETECT口E：I鬥日GE；工NCDHEEE卜ITHLLLIHHHFINUE图3.经过偏振方向平行于X轴的偏振片后所得非相干光照度1;De

44、tectorVr-ewer1?口I回UpdateSettingsPrintWindowTextZoomEiT-GTDR:.LUMLNi.ili?了忙丁已尺予工丁丫图3.经过偏振方向平行于X轴的偏振片后所得发光强度此时起偏器和检偏器的偏振方向相同，光线能全部通过，发光强度最大。将第二个偏振片设为与X轴夹角30的线偏振片，矩阵为输出特性，如图：图3.经过偏振方向与X轴夹角30。的偏振片后所得非相干光照度孔1:DetectorViewerX二-63.72.V二64.9S丘卫|回IT7UpdateGettingsPrintWindowTextZoomII1E+03E-LIE-2IE-33E-HDETE

45、CTBRP1REE；LUH工NOLISTNTENSHT丫图3.经过偏振方向与X轴夹角30。的偏振片后所得发光强度此时可以看到，发光强度稍有减弱，与X轴夹角为30。时发光强度在理论上为平行于X轴的。将第二个偏振片设为与X轴夹角45。的线偏振片，矩阵为：匚输出特性，如图：回1IE-11E-ZiE-3i-；1E-H1E-5口ETECTdE：HHRGE：工制匚口HEEEMTHLLLIHHNH忡二E心P隊:菇I圮M住（朋1:Detector/：.ewerUpdateSettingsPrintWindowTextZoomWH1LN203312EETEUTII!L9N5DZ5UFFR匚E!SHEP5.0D0

46、U：.EiEGiHKILL口ETER比PZ：iH_S203l-J3；r：TD9irr：iL.UHimS讯”图3.经过偏振方向平行于Y轴的偏振片后所得发光强度此时可以看到，发光强度继续减弱，与X轴夹角45时的发光强度在理论上为平行于X轴时的二。2(1V3)将第二个偏振片设为与X轴夹角60的线偏振片，矩阵为rJ输出特性，如图:(1:DetectorViewek匸很回UpdateSettingsPrintWindowTextZoomIE-11E-2iE-21E-MIE-5口ETECTSBI鬥HGE：工NCDHEEE闯TmHHHFINCE图3.经过偏振方向与X轴夹角60。的偏振片后所得非相干光照度1:

47、DetectorViev.oaoD.ODQa.aaoD.13HulliJhKitRtfP3-5BJuaaoao2.20C34.GQD-9D.11RKt-sngHlftrVfee-kingl：EEF：l13nQOQOCiUOO-fl010i：iLER=thn?ula.r7F.rantPrisaIHEFl13a-3?4归F-97JIBEFaDODDLBfenai!BET-1aaDQDD.ODDaDODDL7JSiiEffiKatx-lJi0DanaoIPODQas.eqo9D.Lf；JonsK-striau0aoao2DODO36.500抑：LSR=thnqul&E-f0aaaaa3QDDO昭创0

48、90图3.5.1建立硅基填充层|：勦Men-quvrTliihlCsrrporwEdit也和kE/wfe口Aiciof-t口iaubdTac：kVi叶HdpOhieictTypeHilfffidthlHftlfVidtb!lengthHflLtffidth?2HflLtQid.thFrontIAjig*leFHctnl;7Kaut旳LmMIRRCe39d3DSRactL-bHIRRCC37bd2ion9BaetAtrgLmMIRRCC37.&DQ21OD10Beendt3LeMIRRCC37.6DQ21OD11呂曲CMD.6Z1y112占my-11他V7771i0.31v13MallQtgcc

49、t14Rkt-snguL-srmm37.5DI3?500D(HUF3?.SODP37.5QDE1J3U015Rflct-sngiLLarPUMAPEL012Qi：H2Pn(H2Fi：iD12PQ.DQD1J3U0L-15312EFSUEP1aD24.Fa024F17Jon:HLf：l:k37.EDO37EODDOODODananaaonLSMatfLK37.EDO375OD1DOODOOananaaon1?B&c.EU-ICCH37.50037.EDD1.DOO1.DID1.DQDa.aoi?|图3建立硅基填充层在矩形量的前表面设置反射图层:Object19Properties：Face:11

50、.FrontF日匚已ProfileFaceIm:Coating:|Usedsfinitionsbelow二|c*NoScatteringLamberti-anCGaussianScatterFraction:NumberOfRays:Sigma:AB口Reffect:CLiterDefinedNoneTransmit:NDncDLLName:FileName:|GAUSSIAMY.CLLFrevicusObjectNextObjectViewObjectBulkScatter1GETN丨Diffraction|SourcesDrawTypeCoat/ScaScattErTaFace硝走I取消I

51、刮丛I图3在硅基前表面建立反射涂层所得LCOS微型器件的仿真图：测1:N&C3DLayoutLgl回11UpdateSettingsPrintWindowTextZcx?m3DLAYOUTNEDUN2B2SL2EM口FCHMT.匚匚匸匚LI口PIT工1r-iX匚1图3.6.1LCOS微型器件的外形图3D模型:现1：NSCShadedModelZ二-27.15050,V=63.55B571UpdateGettingsPrintWind-owexLZoomSpin图3LCOS微型器件的3D模型3.4分析光线过起偏器得到平行于X轴的线偏振光，检偏器的偏振方向依次从平行于X轴、与X轴夹角30、与X轴夹角45、与X轴夹角60、平行于