應用自由曲面的超薄投影顯示系統(tǒng)理論和實驗研究.pdf

1、投影顯示技術是實現(xiàn)大屏幕顯示的一種有效途徑，顯示技術的市場需求促使投影顯示向高亮度、高清晰度、超薄化、大屏幕化等方向發(fā)展。超薄顯示系統(tǒng)由于其本身的超薄結構，滿足了在生活空間日益狹窄的環(huán)境下實現(xiàn)高質量顯示的市場需求，因而具有廣闊的發(fā)展空間。 本文針對投影顯示系統(tǒng)的光源、照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)進行分析，研究超薄顯示系統(tǒng)的設計方法。采用非成像光學理論分析帶反光碗的投影光源的光學擴展量，理論推導了光學擴展量與能量利用率之間的關系，并建立了一

2、套新型的實驗系統(tǒng)，測量得到帶反光碗光源的光學擴展量與能量分布、能量利用率的關系，為后續(xù)照明系統(tǒng)的設計提供了有價值的參考。光源與照明系統(tǒng)的匹配程度直接影響投影系統(tǒng)的亮度和對比度，使用該方法進行分析和測量可以最大程度地提高光源與照明系統(tǒng)的匹配程度，從而保證超薄投影系統(tǒng)實現(xiàn)較高的亮度和對比度。 在照明系統(tǒng)設計中，引入自由曲面進行設計。根據(jù)光源的發(fā)光特性和照明面上需要的光能分布，基于折反定律推導得到了微分方程組，采用差分法求解該方程組可

3、得到自由曲面的面形數(shù)據(jù)。該方法簡化了系統(tǒng)結構并提高了照明效率。雖然求解得到的自由曲面采用離散點表述，無法用表達式表征，但在照明系統(tǒng)設計中仍然具有廣泛的應用前景。 在成像系統(tǒng)設計中，本文采用離軸式方法設計超薄投影鏡頭。設計了四片非球面組成的離軸式反射系統(tǒng)，然而，僅采用非球面設計系統(tǒng)結構不夠精簡，性能也有待進一步提高，且非球面面形較大時加工和檢測都存在一定的困難；繼而提出了用球面Fresnel反射鏡代替非球面的設計方法，雖然Fres

4、nel反射鏡加工和檢測更為簡單，且復制成本低，但對波長具有選擇性；進而，應用折反系統(tǒng)結合的方式設計了離軸式投影鏡頭，該方法因兼具折射和反射的優(yōu)點，在大屏幕超薄背投系統(tǒng)的設計中廣為應用，缺點是會產(chǎn)生難以校正的色差，且結構復雜。 為了解決上述四片非球面系統(tǒng)、Fresnel反射鏡和折反系統(tǒng)結合投影鏡頭存在的問題，本文最后提出了采用自由曲面設計超薄成像系統(tǒng)的方法。由于離散點表述的自由曲面在像差校正、加工及檢測等方面存在困難，提出了采用Z

5、ernike多項式表征自由曲面的面形，并利用Zernike多項式與Seidel像差之間的關系，優(yōu)化自由曲面成像系統(tǒng)性能。該方法采用Zernike自由曲面反射鏡進行設計，對波長沒有選擇性、系統(tǒng)無色差，且自由曲面具有較大的設計自由度，可以實現(xiàn)超薄的系統(tǒng)結構?；诶碚撗芯?，采用Zernike自由曲面設計了超薄超短焦的投影成像系統(tǒng)，大大簡化系統(tǒng)結構的同時實現(xiàn)了優(yōu)越的光學性能，并通過離軸設計，實現(xiàn)了超短距離內的大屏幕投影顯示。 為了驗證離