液晶投影顯示復方照明的性能分析

液晶投影顯示復方照明的性能分析

0治療系統(tǒng)性能測試復射透鏡，又稱透鏡矩陣和綜合透鏡，由一系列小透鏡組組成。兩個過濾透鏡的照明可以獲得高光裕利用率和大面積的照明。1991年，kama討論了兩個過濾透鏡的矩陣轉換矩陣作為矩陣投影顯示系統(tǒng)中光斑形狀的變化和光刻值的獲得。從那時起，雙重過濾透鏡可以應用于各種透射和反射光束投影顯示。2000年以后，toshiki等人提出了兩種基于偏差和變形設計的兩種過濾矩陣方法，這可以進一步提高矩陣矩陣照明系統(tǒng)的性能。然而，目前，兩種過濾透鏡照明系統(tǒng)的分析仍然基于傳統(tǒng)的幾何光學方法，并且從過濾透鏡的距離、數量和排列角度系統(tǒng)的性能來分析，并且不能很好地描述過濾透鏡照明系統(tǒng)的特性。在本文中，我們使用了調光4.4矩陣模型來描述復射照明系統(tǒng)，并基于矩陣模型建立了系統(tǒng)的光跟蹤模式。采用光能利用率和照明均勻性作為評價標準，對兩個過濾透鏡系統(tǒng)的制造誤差和相位差進行模擬分析。1基于光能、照明均勻性的復合式復合法求解光學系統(tǒng)的變換推導雙排復眼透鏡照明系統(tǒng)工作原理如圖1所示,光源照射于第一排復眼透鏡上,第一排復眼將光源形成多個光源像進行照明,第二排復眼透鏡的每個小透鏡將第一排復眼透鏡對應的小透鏡重疊成像于照明面上,由于第一排復眼透鏡將光源的整個寬光束被分為多個細光束照明,且每個細光束范圍內的微小不均勻性由于處于對稱位置細光束的相互疊加,使細光束的微小不均勻性獲得補償,因此采用雙排復眼透鏡可使整個孔徑內的光能量得到有效均勻的利用.眾所周知,對于共軸光學系統(tǒng)可以采用2×2變換矩陣方法分析,可以將光線傳播表示成[h′sinu′]=[abcd][hsinu]即r′=Mr,其中r=[hsinu]Μ=(abcd)r′=[h′sinu′]M光學系統(tǒng)的變換矩陣.對于整個光學系統(tǒng)而言,到達最后目標面的光學變換矩陣運用矩陣連乘積描述為[h′sinu′]=[abcd][hsinu]=n∏i=1Μ[hsinu](1)由于復眼透鏡的每個小透鏡相對于整個光學系統(tǒng)而言是非共軸的,顯然,這種非共軸對光線和光束的傳輸采用2×2變換矩陣無法正確反映光學系統(tǒng)的變換特性,考慮二維向前非共軸光學系統(tǒng),采用兩次坐標變換,即(h1?u1)調整變換成共軸系統(tǒng)→(h1m?u1m)共軸傳輸→(h2m?u2m)(h2m?u2m)調整變換成非共軸系統(tǒng)→(h2?u2)按照上述思路,得以下方程組{h1m=(h-ε)u1m=(u1-ε′)(h2msinu2m)=(abcd)?(h1msinu1m){h′2=(h2m+ε+lε′)u′2=(u2m+ε′)式中ε、ε′為小透鏡的位移偏差和角度偏差的參量,聯(lián)立方程,寫為矩陣形式(h′2u′2)=(abcd)(h1u1)+(αβγδ)(εε′)其中{α=1-α?β=l-bγ=-c,δ=1-d)擴展為4×4矩陣(h′u′11)=(abαεβε′cdγεδε′00100001)(hu11)(2)整體復眼透鏡系統(tǒng)的光線變換矩陣可寫為矩陣連乘形式Μ=n∏i=1Μi=(ABEFCDGΗ00100001)(3)采用擴展4×4矩陣能對復眼透鏡系統(tǒng)進行較好的描述,此外,擴展4×4矩陣可以引入包含有位移及角度參數ε及ε′,如小透鏡制造誤差引起的位移與角度變化,能對復眼透鏡進行容差分析.對照明系統(tǒng)我們采用光能利用率和照明均勻性作為評價標準,由上述光線變換矩陣和程函可對系統(tǒng)性能進行評價,程函的表達式為L=L0+uh+εh′+12Uh21-vhh′+12Wh′2(4)式中,L為程函,L0為光學系統(tǒng)在光軸上的光程u,v,w,U,W可由光學變換矩陣得通過衍射積分和程函計算出照明面上某點場分布Ι(x,y)=-ik2πλ?Ι1(x1?y1)eikLdx1dy1(6)式中,I1為光源發(fā)光面的場強度分布,因此,雙排復眼系統(tǒng)照明面總強度分布有I照明面=?I(x,y)dxdy因而,能量利用率為:η=I照明面/I光源,均勻性為:γ=I邊緣/I中心2復合式加強對復合膜照明面的誤差基于4×4擴展矩陣模型,建立雙排復眼透鏡系統(tǒng)光線追跡軟件,模擬照明面直觀的光強分布情況,圖2為模擬設計的復眼照明系統(tǒng)無誤差情況下在液晶板照明面的光強分布,其中縱坐標強度分布作了歸一化處理,模擬的系統(tǒng)照明面采用1英寸液晶板,系統(tǒng)結構如表1.復眼透鏡的誤差主要有:一種是復眼小透鏡本身制造帶來的誤差,如小透鏡面形誤差、中心偏差等;另一種誤差是相對位置誤差,如復眼與其他元件之間的位置誤差、復眼相對于主光面的平移、偏轉等,復眼透鏡的制造誤差主要是面形誤差和中心偏差,分別模擬第一排復眼透鏡和第二排復眼透鏡的面形誤差和中心偏差,圖3(a)為第一排復眼透鏡曲率半徑誤差在±5%內的情況下對照明面的影響,圖3(b)為第二排復眼透鏡曲率半徑誤差在±5%內的情況下對照明面的影響,圖3(c)為第一排復眼透鏡中心偏差在±0.05mm內的情況下對照明面的影響,圖3(d)為第二排復眼透鏡中心偏差在±0.05mm內的情況下對照明面的影響,表2(a)、(b)列出對應的各種誤差對照明面光能利用率和照明均勻性的影響數值,模擬表明第一排復眼透鏡的面形誤差和中心偏差對照明系統(tǒng)能量利用率的影響大于第二排復眼透鏡,而第二排復眼透鏡的上述誤差對照明均勻性的影響大于第一排復眼透鏡.復眼透鏡系統(tǒng)的相對位置誤差主要有復眼透鏡的橫向位置平移、軸向傾斜和軸向平移,分別模擬第一排復眼透鏡和第二排復眼透鏡的上述誤差影響,圖4(a)、圖4(b)為第一排、第二排復眼透鏡橫向位置平移±0.1mm對照明面的影響,圖4(c)、圖4(d)分別為第一排復眼透鏡和第二排復眼透鏡軸向傾斜對照明面的影響,圖4(e)為復眼透鏡軸向位移±0.1mm對照明面的影響,表3分別列出雙排復眼透鏡不同的位置誤差對照明光能效率和均勻性的影響數值.模擬表明位移偏差引起的誤差主要為照明光斑的偏移,同時,模擬顯示軸向傾斜誤差±10對系統(tǒng)能量利用率和照明均勻性影響較大,軸向雙排復眼平移誤差會影響系統(tǒng)能量利用率.由以上對復眼照明系統(tǒng)模擬表明:復眼透鏡的相對位置誤差對系統(tǒng)性能影響要顯著于加工誤差,其中軸向傾斜和橫向平移對系統(tǒng)能量利用率和照明均勻性都有顯著的影響,軸向平移主要影響系統(tǒng)的能量利用率,而在制造誤差中,就能量利用率而言,第二排復眼透鏡的容差要小于第一排復眼透鏡.3復合透射照明系統(tǒng)誤差分析本文討論了液晶投影顯示復眼透鏡照明系統(tǒng)的4×4擴展矩陣模型,并利用自建的程序,分析了復眼透鏡的制造誤差和位置誤差對系統(tǒng)性能的影響,分析表明:液晶投影顯示雙排復眼照明系統(tǒng)中,雙排復眼透鏡相對位置誤差對系統(tǒng)性能影響較大,其敏感程度要