光學(xué)設(shè)計(jì)Word版

1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)投影儀照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2011-5-31電子科技大學(xué)08級(jí)英才1班作者：羅小嘉 2801305018 周浩 2801304029 皮秀敏 2801306016任課教師：嚴(yán)高師 摘 要本文就現(xiàn)在市場上的投影儀情況進(jìn)行簡單分析、對比，并具體對LCOS的照明系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為具體的研究討論。在這篇文章中，由工程光學(xué)的研究角度，由投影儀的基本原理入手，通過對個(gè)部分的建模和仿真，探尋一種合理的能提高屏幕亮度，照度均勻性的方法。由于時(shí)間有限，很多地方都并沒有分析得很清楚。當(dāng)然，這一定程度上是因?yàn)橥队皟x的照明系統(tǒng)本身就是一個(gè)比較大的問題。國

2、內(nèi)外都有對此進(jìn)行研究，希望能更好的提高光利用率以及成像質(zhì)量。國內(nèi)的投影儀技術(shù)還相對較為落后。而日本則在這方面走在世界前列。而筆者在此也表示沒有達(dá)到自己所期望的目標(biāo)，以后如果有機(jī)會(huì)，將繼續(xù)對這個(gè)問題進(jìn)行了解、研究。 AbstractThis paper the projector on the market now on simple analysis, comparative, and on specific LCOS lighting systems are all parts structure specific research discussion. In this article,

3、from the Angle of engineering optics, the study of the basic principles of overhead projector, through a part of the modeling and simulation, explores a kind of rational can improve the screen brightness, intensity of illumination uniformity method. Because of the limit time, a lot of places dont an

4、alysis very clearly. However, partly because the illuminator systems itself is a big project. Domestic and international groups are studying this, and hope to improve the utilization and image quality. Domestic projector technology is still relatively backward. But Japan is leading in this respect i

5、n the world.But the author in this also say that they have not achieved their desired goal, later if there is a chance, will continue to study and research this problem. 目錄1、引言31.1、歷史背景31.2、投影儀市場現(xiàn)狀分析32、正文42.1、LCOS投影儀的基本結(jié)構(gòu)和原理42.2、投影儀各部分元件分析62.2.1、反光鏡62.2.3、光管72.2.4、 復(fù)眼透鏡陣列72.3、參數(shù)計(jì)算92.3.1、焦距比F決定了照度和通過

6、系統(tǒng)的流量92.3.2、對于復(fù)眼透鏡陣列系統(tǒng)92.3.3、PBS分光棱鏡102.3.4、照明系統(tǒng)的F參數(shù)113、系統(tǒng)模擬124、總結(jié)13參考文獻(xiàn)：141、引言1.1、歷史背景在會(huì)議中或者視聽教學(xué)場所，演說者為了把自己的意思表達(dá)給全體觀眾，常常將演說內(nèi)容制作成投影片或者幻燈片，利用投影儀將資料投影到屏幕上，使得觀眾能清的了解演說者要表達(dá)的訊息。公元1839年法國人奧古斯特發(fā)明了幻燈機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。他將文字或圖片制作成幻燈片，利用幻燈機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)將幻燈片上的影響投射到屏幕上。成為歷史上第一臺(tái)靜止圖像的投影儀。由于其體積小攜帶方便，至今仍廣泛使用。 圖 1隨著近年來投影顯示迅速發(fā)展，投影機(jī)的應(yīng)

7、用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)開始從教育等專業(yè)市場逐步向家庭，娛樂等新興市場轉(zhuǎn)移，為了適應(yīng)市場發(fā)展的需要，開發(fā)低成本、性能適中、工藝簡單的小型投影儀已成為必然趨勢。1.2、投影儀市場現(xiàn)狀分析對于投影儀的評價(jià)目前主要從三個(gè)方面進(jìn)行：1) 屏幕上的亮度：單純依靠改變光源自身功率來提高屏幕亮度的方法是不理想的，目前主要采用提高光源效率，減少光學(xué)組件能量損耗和加裝微透鏡等技術(shù)手段來提高亮度。2) 屏幕上照明均勻性：在投影儀的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用兩種器件來實(shí)現(xiàn)照明均勻化目的，一是采用成像元件一透鏡陣列，另一種是非成像元件一積分光管，比較這兩種器件實(shí)現(xiàn)照明均勻他的原理，透鏡陣列的加工和設(shè)計(jì)過程過于復(fù)雜并且成本高，

8、而積分光管是通過使光線進(jìn)入其內(nèi)部后經(jīng)多次反射后，實(shí)現(xiàn)在光管的末端形成均勻的照明的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，造價(jià)低廉，高效率等特點(diǎn)。3) 由投影儀投影鏡頭確定的像質(zhì)評價(jià)。本文著重討論的是投影儀照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從前兩個(gè)因素來考慮完善投影儀照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前市場上仍以LCD、DLP與LCOS三類投影機(jī)為主。我們對三種投影機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)做一個(gè)比較，整理如下表分項(xiàng)穿透式LCD反射式DLP反射式LCOS優(yōu)點(diǎn)制作技術(shù)較完整具備完整量產(chǎn)技術(shù)光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)較簡單高對比度高解析度易于輕型化光利用率高開口率提高高解析度可利用半導(dǎo)體制作大幅降低面板生產(chǎn)成本缺點(diǎn)散熱問題光利用率低開口率低動(dòng)態(tài)顯示受限亮度較低僅TI提供晶片組

9、制作復(fù)雜、良率低影像對比較差不利于輕型化較高光學(xué)元件成本由于DLP投影機(jī)不需要像LCD及LCOS投影機(jī)中使用到復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來提升光使用的效率，因此產(chǎn)品擁有小型、輕量化的特性，在可攜式與超可攜式投影機(jī)市場上占有率較高。而LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影顯示是一種新型的反射式LCD微投影技術(shù)，與穿透式LCD相比，LCOS具有以下明顯的優(yōu)勢:開口率高從而光能利用效率高，可以同時(shí)保證高清晰度與高亮度化;LCOS的尺寸一般為.07英寸或更小，可以降低系統(tǒng)的成本、物理尺寸以及重量。而且LCOS可以通過像素窄間距化來增加像素?cái)?shù)目，提高分辨率，是獲得高分辨率的理想途徑。2、

10、正文2.1、LCOS投影儀的基本結(jié)構(gòu)和原理LCOS的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，帶有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)矩陣的硅晶片基板與一透明玻璃基板之間插入液晶的構(gòu)造組成。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路在鋁反射鏡電極的背面，光閥的全部面積可以對入射光進(jìn)行調(diào)制。因此像素窄間距化、增多像素?cái)?shù)目不會(huì)降低開口率，同時(shí)可以得到高清晰化與高亮度化。目前LCOS像素間距已經(jīng)微細(xì)化到7.6unl，像素?cái)?shù)達(dá)到SXGA也已經(jīng)產(chǎn)品化。 圖2 反射型液晶光閥(LCOS)的基本元件構(gòu)造LCOS投影儀的基本結(jié)構(gòu)是由將光源發(fā)射的光

11、束導(dǎo)向液晶光閥的照明光學(xué)系統(tǒng)，與將因液晶光閥形成圖像信息的光束放大投影到屏幕上的投影光學(xué)系統(tǒng)以及與光閥尺寸相當(dāng)?shù)钠窆夥蛛x器(PBS:Polarization beam Splitter)。PBS會(huì)帶來重量增加及投影透鏡的后焦點(diǎn)變長的問題。全彩色的投影儀可為單片光閥或三片光閥構(gòu)成，對應(yīng)投影儀分別被稱為單板式及三板式。單片式因裝置尺寸的小型化、成本低等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)用作廉價(jià)的民用。而三片式的有點(diǎn)在于畫質(zhì)與光輸出方面，因此用作專業(yè)及民用，成為現(xiàn)在投影儀的主流。三片式投影儀的普通光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。傳統(tǒng)的色分離合成光學(xué)系統(tǒng)與透過式液晶投影儀基本相同。三個(gè)偏光分離PBS分別配置在紅綠藍(lán)的光閥前。S偏振光被

12、PBS反射，用分色鏡(DM)分離初的紅綠藍(lán)各光束分別照射到對應(yīng)的光閥上。在各光閥分別形成與該顏色對應(yīng)的圖像，由各光閥將入射S偏振光調(diào)制成P偏振光，通過PBS后，由分色棱鏡(DP)進(jìn)行色合成再通過投影透鏡投影在屏幕上。此光學(xué)系統(tǒng)必須有三個(gè)用于紅綠藍(lán)光閥的PBS，因此有裝置重量大，投影透鏡后焦點(diǎn)變長，F(xiàn)數(shù)變小，光利用效率降低等問題。三色分解合成棱鏡(Color Separation Prism)，如圖4所示，光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)PBS與飛利浦型棱鏡組成。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以簡化LCOS投影儀光學(xué)系統(tǒng)。 圖3 三片式投影儀的普通光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)架 圖4 飛利浦棱鏡投影機(jī)構(gòu)架 2.2、投影儀各部分元件分析2.2.1、反光

13、鏡普通的點(diǎn)光源用于投影系統(tǒng)中，通常用反射罩將光源四處發(fā)散的光收集以及聚焦到一個(gè)小點(diǎn)，使得目標(biāo)點(diǎn)的亮度盡可能高。投影顯示系統(tǒng)光源都帶有收集光能的冷反光鏡，其主要類型有橢球形、拋物面型、和深錐橢球形。如圖，由三角形法則可知由清晰度可知所以令E為焦點(diǎn)曲線的延長線。當(dāng)為圓的時(shí)候，s=0,r=f，如果焦點(diǎn)移動(dòng)，則焦點(diǎn)移動(dòng)=E。當(dāng)為拋物線的時(shí)候，,2.2.2、UV-IR Filter 由于發(fā)光本身的光譜特性，包含著紫外光以及紅外光，因此在光學(xué)系統(tǒng)部分里面，我們必須使用UV-IR Filter來阻絕此波段的光源。UV光的害處是破壞液晶分子，脆化塑料元件。而IR光的害處是使光械內(nèi)部產(chǎn)生高熱，所以在光械里面使用

14、UV-IR Filter可以有效阻絕這些危害。2.2.3、光管 光管是投影儀中常用的光學(xué)器件，它可以是實(shí)心的玻璃棒也可以是由內(nèi)鍍高反射膜的反射玻璃平板組成的中空玻璃棒。前者是利用幾何光學(xué)全內(nèi)反射的原理，在反射過程中沒有光能量的損失，只有材料吸收影響效率，另外在入射光束角度較大的情況下，部分光線入射角太大，進(jìn)入光管后與管壁角度小于光管玻璃材料所對應(yīng)的臨界角，也會(huì)造成一定的光能損失。后者對光學(xué)效率的降低主要是由反射引起，另外鍍反射膜光管對輸入光束的角度沒有限定。然而其內(nèi)壁鍍膜增加了成本，因此實(shí)心的玻璃棒的應(yīng)用更為廣泛。為了減少光束的數(shù)值孔徑，我們使用的光管具有一定的錐度，可以將高數(shù)值孔徑的輸入光轉(zhuǎn)

15、化為低數(shù)值孔徑的輸入光0.此外光管還可以根據(jù)LCOS面板的形狀和尺寸調(diào)整輸出光束的形狀尺寸，同時(shí)提高了照明的均勻度。如圖5所示，由于光管有一定的錐度為占度，被反射的光線的角度相對于反射前角度變小了一些，光線角度的改變?yōu)楣夤苠F度的兩倍2占度，當(dāng)光線的角度減小到小于占度時(shí)，光線不會(huì)與光管內(nèi)側(cè)相交，而直接由光管輸出面射出。如果錐形光管的錐度非常小，而光線在錐形光管中無數(shù)次反射，最終會(huì)使得光線角度減小到零。然而這樣要求錐形光管的長度無限長，顯然是不符合實(shí)際情況的。通常光管長度是有限，并且光管錐度有一定的大小。 圖5錐形光管示意圖2.2.4、 復(fù)眼透鏡陣列2.2.4.1 復(fù)眼透鏡陣列實(shí)現(xiàn)均勻照明的原理復(fù)

16、眼透鏡又叫蠅眼透鏡或魚眼透鏡，是實(shí)現(xiàn)均勻照明常用的方法。復(fù)眼透鏡陣列要實(shí)現(xiàn)均勻照明需兩列復(fù)眼透鏡平行排列，第一列復(fù)眼透鏡陣列中的各個(gè)小單元透鏡的焦點(diǎn)與第二列的復(fù)眼透鏡陣列中對應(yīng)的小單元透鏡的中心重合，兩列復(fù)眼透鏡的光軸相互平行，在第二列復(fù)眼透鏡后放置聚光鏡，聚光鏡的焦平面放照明屏就形成了均勻照明系統(tǒng)，如圖所示 。圖 6 復(fù)眼透鏡陣列敷衍透鏡均勻照明的原理是：與光軸平行的光束通過第一塊透鏡后聚焦在第二塊透鏡的中心處，第一排復(fù)眼透鏡將光源形成多個(gè)光源像進(jìn)行照明，第二排復(fù)眼透鏡的每個(gè)小透鏡將第一排復(fù)眼透鏡對應(yīng)的小透鏡重疊成像于照明面上。由于第一排復(fù)眼透鏡將光源的整個(gè)寬光束分為多個(gè)細(xì)光束照明，且每個(gè)細(xì)

17、光束范圍內(nèi)的微小不均勻性由于處于對稱位置細(xì)光束的相互疊加，使細(xì)光束的微小不均勻性獲得補(bǔ)償，從而使整個(gè)孔徑內(nèi)的光能得到有效均勻利用。從第二排復(fù)眼透鏡出射的光線通過聚光鏡聚焦在照明屏上，這樣，照明屏上的光斑的每一點(diǎn)均受到光源所發(fā)出的光線照射，同時(shí)，光源上的每一點(diǎn)發(fā)出的光束又都會(huì)重疊到照明光斑上的同一視場范圍內(nèi)，所以得到一個(gè)均勻的矩形光斑。2.2.4.2復(fù)眼透鏡列陣數(shù)對均勻照明的影響通過對85的復(fù)眼透鏡列陣模擬得到的照明效果，和在其他條件不變，減小復(fù)眼透鏡陣列的每個(gè)小單元的尺寸，采用16 10 陣列的復(fù)眼透鏡模擬的照明效果我們得出：復(fù)眼透鏡陣列數(shù)增加后，照明光更加集中，光斑亮度更高。但在聚光鏡焦距不

18、變的情況下照明面積卻變小了。這是因?yàn)樵黾訌?fù)眼透鏡陣列列數(shù)、減小每個(gè)單元的尺寸時(shí)，復(fù)眼透鏡的每個(gè)小單元將光源的光束分得更細(xì)，增大了入社到照明屏上光束的發(fā)散角。根據(jù)理想照明系統(tǒng)中展度守恒的原則，展度 ，其中，As是發(fā)光面積，是發(fā)散角，可知當(dāng)光斑的發(fā)散角增大時(shí)，照明面積會(huì)減小，光斑更加集中，亮度更高。此時(shí)可通過增加聚光鏡的焦距f來保證均勻照明的面積，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻因此變得不太緊湊。因此，應(yīng)使照明效果的改善和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊達(dá)到平衡。2.2.4.3入射光束的發(fā)散角對照明效果的影響當(dāng)發(fā)散角較小時(shí)系統(tǒng)光路圖如圖7所示。圖 7 發(fā)散角較小時(shí)的系統(tǒng)光路圖光線通過第一列復(fù)眼透鏡陣列后，偏離了第二列復(fù)眼透鏡單元的中

19、心，但沒有完全偏離對應(yīng)的透鏡小單元。這時(shí)由于焦平面上同一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡后，將平行射出，因此這與平行光軸的平行光通過第二列復(fù)眼透鏡列陣后出射的光線方向一，將照射到相同的區(qū)域，不產(chǎn)生旁瓣。當(dāng)入射到第一列復(fù)眼透鏡陣列的光束發(fā)散致角很大時(shí)，得到的照明效果圖中中央的照明光斑亮度低，輪廓不清晰，且有旁瓣。這是因?yàn)榘l(fā)散角大到一定程度時(shí)，從第一列復(fù)眼透鏡陣列射出的光線，可能完全偏離第二列復(fù)眼透鏡的對應(yīng)單元。此時(shí)從第二列復(fù)眼透鏡陣列出射的光線，將與平行光軸出射的平行光線不同，其照明光斑將偏離中央照明區(qū)域。可見，光源發(fā)散角對照明效果將造成嚴(yán)重的影響，當(dāng)發(fā)散角較小時(shí)，復(fù)眼透鏡陣列可以予以校正，如果發(fā)散角較大時(shí)

20、，照明光斑會(huì)出現(xiàn)旁瓣，甚至出現(xiàn)完全分開的照明光斑，極大的降低了中央照明光斑的亮度和光源的利用率。需要利用準(zhǔn)直系統(tǒng)將光源的發(fā)散角減小，使其近似平行的入射到復(fù)眼透鏡陣列上，減小旁瓣，提高光能利用率。2.3、參數(shù)計(jì)算2.3.1、焦距比F決定了照度和通過系統(tǒng)的流量對于無限遠(yuǎn)對于近距離物體。其中M為放大率，瞳孔比。2.3.2、對于復(fù)眼透鏡陣列系統(tǒng)由類似的三角關(guān)系可知，系統(tǒng)的焦距比數(shù)關(guān)系2.3.3、PBS分光棱鏡偏振分光棱鏡能把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏光。其中P偏光完全通過，而S偏光以45度角被反射，出射方向與P光成90度角。此偏振分光棱鏡由一對高精度直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)棱鏡的斜邊上鍍有偏振

21、分光介質(zhì)膜。在LCD或LCOS投影機(jī)中要用到偏振光分光器（PBS）與偏振光轉(zhuǎn)換器（PCS）,利用這種器件可以產(chǎn)生偏振光,提高光的利用率。根據(jù)物理光學(xué)原理,在不同介質(zhì)界面處光線會(huì)發(fā)生反射和折射,從而得到振動(dòng)方向相互垂直的S偏振光和P偏振光。在玻璃表面鍍有多層不同介質(zhì)的薄膜,可使光線在每層界面處均發(fā)生反射和折射,以得到消光比很高的偏振光,這種器件就是PBS。利用1/2波片改變偏振態(tài)的原理,可加工成PCS。PBS的尺寸如果太大會(huì)浪費(fèi)材料，增加系統(tǒng)的體積和重量，且使投影透鏡的后焦點(diǎn)變長，如果PBS的尺寸太小又會(huì)使得一部分滿足系統(tǒng)投影鏡頭F數(shù)的光線無法通過，造成光通量的浪費(fèi)。LCOS光閥的對角線尺寸為0

22、.47inch=12mm按543的比例，我們有LCOS光閥的邊長尺寸為9.6mm*7.2mmPBS棱鏡由兩個(gè)直角棱鏡結(jié)合，棱鏡材料為肖特玻璃SF6，折射率為n=1.81264系統(tǒng)F#數(shù)為1.7這樣光線在玻璃里的走向比1/6 因此PBS的邊長取為18rnm。2.3.4、照明系統(tǒng)的F參數(shù)由A=2B,可得，所以3、系統(tǒng)模擬在此，筆者曾用多種軟件嘗試過系統(tǒng)模擬的辦法，如：Zemax、TracePro、Light Tools、Opricalworks.但都由于下載、安裝、使用等問題無法達(dá)到理想的效果。最終，筆者在tracepro下建立如下模型由于時(shí)間關(guān)系，這只是整個(gè)照明系統(tǒng)的前面部分PBS和LCD以及鏡

23、頭部分沒有再做模擬。下面兩圖分別為對反光碗口處照度和錐形光管出口處的光照度分析。對于所得結(jié)果的具體分析，由于知識(shí)有限，還不能給予具體的結(jié)論。而且感覺建模也不盡如人意，希望老師諒解。4、總結(jié)在科學(xué)技術(shù)尤其是信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人類需要感知的信息量越來越大，而視覺是人類感知信息的最主要途徑和手段，人類獲知信息的60%來自視覺，由此可見，顯示技術(shù)對于充分發(fā)揮人類的視覺功能，擴(kuò)大人類的感知信息量，加速信息的傳輸與感知都具有十分重要的意義。隨著LCOS技術(shù)的成熟，LCOS微型投影儀具有良好的發(fā)展前景，它的便攜、廉價(jià)為人們?nèi)粘５纳缃簧顜砹嗽絹碓蕉嗟谋憷?。投影系統(tǒng)逐漸微型化使得照明系在投影系統(tǒng)中的重要性越來越大，從而對投影儀所用光源也提出了更高的要求，光強(qiáng)大，發(fā)光面積小且光學(xué)擴(kuò)展量(Etendue)小，而LCOS光閥面積尺寸很小，要求大量的光能夠均勻的通過一個(gè)很小的面積。本文對于LCOS微型投影儀的照明系統(tǒng)的研究工作正是基于這樣的需求展開。本論文以非成像光學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析了非成像光學(xué)與成像光學(xué)研究的不同