基于LED照明的MEMS光柵光調制器的光學投影系統(tǒng)分析與設計.pdf

1、隨著數(shù)字技術的發(fā)展，將MEMS技術與空間光調制器相結合，開發(fā)基于MEMS技術的光調制器已經(jīng)成為投影顯示領域的研究熱點；另一方面，大功率LED由于其突出的優(yōu)點在近些年發(fā)展迅速，將大功率LED作為微投影顯示系統(tǒng)的新光源正在被積極研究中。目前，市場上主要微投影顯示產(chǎn)品的核心技術大都受到國外專利保護，因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的基于MEMS技術的光調制器，并利用LED光源的優(yōu)勢設計相應的光學系統(tǒng)進行投影顯示，對打破國外產(chǎn)品的技術壟斷，提升我國在

2、顯示技術的水平和核心競爭力方面具有重要的科學意義。
　　 本文分析和研究的出發(fā)點是針對課題組提出的新型光柵光調制器，設計用LED作為其光源的光學投影系統(tǒng)，通過仿真設計和實驗來分析研究這一投影顯示系統(tǒng)。本文作者在課題組前期工作的基礎上進一步詳細分析了用LED作為光柵光調制器照明光源的可行性；設計了在LED照明下的光柵光調制器的照明聚光系統(tǒng)和投影成像系統(tǒng)，并對設計作出評價；利用設計結果搭建了實驗平臺，驗證了理論和設計的正確性。具體研

3、究內(nèi)容包括：
　　 1)在光柵光調制器調制原理的基礎上進一步分析了器件的表面彎曲度和周期性結構對器件調制特性的影響，優(yōu)化了光柵光調制器的理論光學模型，為光柵光調制器的設計及加工工藝提出了改進方案。
　　 2)利用部分相干光理論分析了將LED作為光柵光調制器照明光源用于投影顯示的可行性。討論了光源的尺寸、光譜帶寬、表面結構對器件調制特性的影響，分別從頻譜面的衍射光強分布，像面的光場分布和調制對比度等角度進行說明，分析了LE

4、D光源照明下的兩種光學信息處理系統(tǒng)，從理論上證明了LED用于光柵光調制器照明光源進行投影顯示的可行性，并以此指導光學投影系統(tǒng)的設計。
　　 3)利用色度學原理分析了LED光源的色度學特性，分析了RGB三基色LED光源的數(shù)目之比、光源帶寬變化對顯示質量的影響，得到了在三基色LED光源照明下光源的最佳配比方案，并進一步通過顯色指數(shù)說明LED用于投影顯示的性能優(yōu)異性。
　　 4)利用Tracepro、Codev等光學軟件，設計

5、了一種自由曲面TIR透鏡實現(xiàn)LED光能量的收集；通過直形光棒和梯形光棒兩種方案實現(xiàn)了光場的均勻化，并對兩種光棒在實現(xiàn)光場均勻化和改善出射光出射角方面進行比較；利用一套結構緊湊的聚光透鏡組實現(xiàn)光能量的高效會聚，實現(xiàn)了大發(fā)散角的LED光能量的有效收集，并達到了器件的均勻照明。
　　 5)依據(jù)光柵光調制器的光學調制原理和光學成像原理，確定了投影物鏡的類型，利用Zemax、Codev軟件設計了兩種不同結構的投影物鏡組，實現(xiàn)了光柵光調制器

6、的信息處理和投影成像，并通過像差評價對兩種結構的投影成像系統(tǒng)進行比較。利用X棱鏡實現(xiàn)了三基色LED的彩色合成，最終實現(xiàn)了結構小巧的基于LED光源的光柵光調制器的光學投影系統(tǒng)的計算機仿真設計、建模和評價，掌握了光學投影系統(tǒng)設計的理論基礎及關鍵技術問題的解決方法。
　　 6)利用基于MEMS技術加工得到的光柵光調制器，從實驗上驗證了器件的彎曲度和周期性結構對調制特性的影響，說明理論分析的正確性;根據(jù)光學投影系統(tǒng)設計思想搭建實驗平臺，