激光照明信息顯示與技術課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1引言2</b></p><p>　　1.1 研究背景2</p><p>　　1.2 投影顯示技術發(fā)展現狀3</p><p>　　2 投影顯示照明系統(tǒng)4</p><p>　　2.1 照明系統(tǒng)4&

2、lt;/p><p>　　2.2 光學擴展量4</p><p>　　2,3單片式DLP投影光學引擎的基本結構和工作原理4</p><p>　　2.4復眼照明系統(tǒng)及工作原理DLP照度均勻度及光斑圖5</p><p>　　2.5 方棒照明系統(tǒng)的工作原理6</p><p>　　3 激光顯示照明系統(tǒng)的設計方法7</p

3、><p><b>　　3.1系統(tǒng)光源7</b></p><p>　　3.2 積分方棒7</p><p>　　3.3 中繼透鏡8</p><p>　　4 照明系統(tǒng)的設計與仿真9</p><p>　　4.1系統(tǒng)的設計9</p><p>　　4.2設定系統(tǒng)光源9<

4、/p><p>　　4.3 方棒的尺寸確定10</p><p>　　4.4中繼透鏡設計14</p><p>　　4.5系統(tǒng)的仿真分析15</p><p><b>　　5總結18</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p&g

5、t;<b>　　1引言</b></p><p>　　傳統(tǒng)光源屬于泛光光源，光學發(fā)散角大，不利于照明系統(tǒng)的能量傳輸。與燈泡光源和LED光源完全不同,激光具有優(yōu)越的空間傳輸特性，亮度極高，在很小的芯片上可以實現很高的光能利用效率，這樣便可實現高畫質的大屏幕及超大屏幕投影顯示，無需更換光源（免維護）、保持長久高畫質、亮度及色溫隨時可調、實現超高亮度、適應各種工程投影環(huán)境、實現無噪音投影環(huán)境等特點，

6、如此這些，將導致顯示系統(tǒng)綜合性能的革命提升，這些特性無疑賦予了激光顯示技術在高端應用尤其是高端大屏幕顯示市場的廣闊發(fā)展空間。</p><p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　顯示技術可以分為直接顯示與投影顯示兩類。直接顯示技術主要包括陰極射線管(CRT)、液晶平板顯示(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、電致發(fā)光器件(EL)、場致發(fā)光器件(FED

7、)、真空熒光顯示(VFD)、等離子體顯示(PDP)等。大屏幕顯示系統(tǒng)是當前顯示技術發(fā)展的一個主要方向，在軍事、模擬及訓練、會議、教育、大型公共場所等場合有日益廣泛的應用， 現代大屏幕顯示系統(tǒng)因其應用范圍廣、技術難度大以及系統(tǒng)復雜而受到眾多廠商及科技人員的關注，現已成為顯示領域內的研究熱點。從顯示原理和技術的角度來看，現在較為成熟和商用化的大屏幕顯示技術主要有液晶顯示技術、等離子顯示技術和投影顯示技術。</p><p&

8、gt;　　投影顯示技術是實現大屏幕顯示系統(tǒng)的一種有效途徑，投影顯示是將顯示器件產生的圖像經過光學系統(tǒng)投射到屏幕上產生圖像的顯示方式。根據顯示器件形成圖像的方式，投影顯示可以分為發(fā)光型投影顯示和調制型投影顯示兩類。發(fā)光型投影顯示是指在顯示器件上直接形成高亮度的圖像，再由光學系統(tǒng)成像在屏幕上觀看的顯示方式，如CRT投影顯示和激光投影顯示兩類。調制型投影顯示，顯示器件本身不發(fā)光，而是根據輸入信號改變顯示媒質的某些電光特性，如反射率、投射率、折

9、射率、雙折射效應、散射等，經外加光源照射，將顯示器件上的信息轉變?yōu)閳D像經光學系統(tǒng)讀出并投影在屏幕上。主要包括LCD、LCLV(液晶光閥)、LCoS、DLP等各種投影顯示技術。調制型投影顯示系統(tǒng)通常由光源、照明光學系統(tǒng)、空間光調制器、驅動電路系統(tǒng)和成像光學系統(tǒng)等部分組成。按照投影機、觀察者與屏幕的相對位置關系，投影顯示系統(tǒng)可以分為正投影系統(tǒng)和背投影系統(tǒng)兩類。前投是指投影機和觀察者位于屏幕的同一側的投影系統(tǒng)，其特點是體積、重量小，亮度高，廣

10、泛應用于會議、家庭影院、數字影院、多媒體教室等場合。但圖像效果容易受環(huán)境光的影響。前投市場的主要產品LCD投影機，但近年來隨著DL</p><p>　　整個投影顯示市場可以分為消費產品、商務應用產品、大型公共場合應用產品、小型公共場合應用產品和高端應用產品等五個主要應用領域。</p><p>　　1.2 投影顯示技術發(fā)展現狀</p><p>　　七大DLP光學引擎制

11、造商：明基BenQ，美國德州儀器（TI）公司、日本普樂士、惠普、奧圖碼、大恒公司（中國自主研發(fā)）?！　COS光學引擎：日本CHINONTEC，昂納明達、Philips、ZEISS、韓國KTS?！　CD：主要是精工愛普生和SONY。 投影顯示市場擁有每年上百億美元的產值，并且未來幾年里，投影顯示技術的市場將繼續(xù)高速增長。隨著數字高清電視的普及，家庭消費產品將成為投影顯示市場的主力。傳統(tǒng)的CRT投影技術將逐漸被日趨成熟的LC

12、D／DLP／LCoS投影顯示技術所取代，投影顯示市場的爭奪也將逐漸從LCD、DLP等技術與CRT技術問的競爭向液晶投影技術與DLP投影技術間的競爭轉變。</p><p>　　2 投影顯示照明系統(tǒng)</p><p><b>　　2．1 照明系統(tǒng)</b></p><p>　　照明系統(tǒng)是將光能從光源傳遞到空間光調制器件的橋梁。照明系統(tǒng)的設計，一方面要考

13、慮顯示器件對整個系統(tǒng)光學擴展量的限制，另一方面需要考慮光源的空間光強分布對能量利用率的影響，力圖在限定的擴展量范圍內獲得最佳的輸出光通量。</p><p>　　投影顯示系統(tǒng)需要在大面積范圍內獲得高質量的圖像顯示，因而要求光學系統(tǒng)必須滿足高的光能輸出和充分均勻的照明的要求。</p><p>　　復眼和方棒是目前最為常用的兩種照明系統(tǒng)，其基本原理都是將單一的光源成像為二維的光源陣列，并將光源陣

14、列的像疊加，以實現高均勻性的照明光斑。照明成像系統(tǒng)將照明光會聚在空間光調制器上，通常采用柯拉照明的形式，將光能分布均勻的前段照明系統(tǒng)的光闌成像在顯示器件上，如復眼照明系統(tǒng)中的第一組復眼透鏡和方棒照明系統(tǒng)中的方棒出射端，從而滿足系統(tǒng)對均勻性的要求。</p><p><b>　　2.2 光學擴展量</b></p><p>　　光學擴展量是非成像光學理論中的重要概念，用于描

15、述具有一定孔徑角和截面積的光束的幾何特性。其定義如式2-1所示：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中為面積dA與立體角d 的中心軸之間的夾角。由上式可見，光束的擴展量實際上是光束所通過截面積與光束所占據的空間立體角的積分。</p><p>　　系統(tǒng)光學擴展量越大，表示系統(tǒng)允許通過的光束越大，系統(tǒng)傳輸光能的能

16、力越強。 </p><p>　　2,3單片式DLP投影光學引擎的基本結構和工作原理</p><p>　　單片式DLP投影系統(tǒng)光學引擎包括照明系統(tǒng)、分色合色系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)</p><p>　　三部分，它的基本結構如圖所示。</p><p>　　圖2.1 單片式DLP投影光學引擎的基本結構</p><p>　　照明系統(tǒng)

17、由光源和反光碗(Lamp and reflector)、積分方棒(Integrator rod)、中繼系統(tǒng)(Relay system)構成。光源一般采用超高壓水銀燈，它通過燈弧間高壓放電產生白光。反光碗是旋轉橢球面的一部分，當燈弧置于橢球面的一個焦點時，經過反光碗的反射，燈弧會在另一個焦點處成像。而積分方棒就置于這個焦點的附近，它起到的作用是勻光。之后中繼系統(tǒng)把方棒的出射端面成像至DMD芯片的表面，就實現了對DMD微鏡陣列的均勻照明了。

18、由于DMD器件對調制光的偏振態(tài)沒有要求，所以整個照明系統(tǒng)當中無需使用偏振元件，系統(tǒng)復雜程度也低于LCD投影系統(tǒng)。</p><p>　　單片式DLP光學引擎的分色合色系統(tǒng)其核心是一個色輪，它通常位于積分方棒的前面，表面有紅綠藍基色濾色片，并能利用馬達高速旋轉。當反光碗把光源的光會聚到方棒端面時，白光經過旋轉的色輪濾色片后變?yōu)榧t綠藍三種基色光，經過積分方棒勻光后又依次均勻照射到了DMD表面上，而DMD根據顯示信號對依

19、次照明的基色光進行同步調制，就能通過投影物鏡在屏幕上實現紅綠藍基色圖像的顯示，若基色圖像的變換速度足夠快以致人眼無法分辨時，人眼就會產生視覺暫留效應，看到的就是彩色的圖像。</p><p>　　投影系統(tǒng)主要是由全內反射棱鏡和投影物組成的。TIR棱鏡由兩塊棱鏡構成，之間留有空氣間隙，如圖所示。當光線從一端入射時，在緊鄰空氣間隙的表面發(fā)生全內反射照射到DMD表面，在被DMD表面的微鏡陣列反射后再次到達該表面時，光線將

20、不滿足全內反射條件產生折射，最終射入投影物鏡或者被吸收掉。這樣TIR棱鏡就把入射的照明光束和出射的投影光束完全分離開來，減少了照明系統(tǒng)中的雜散光干擾，提高了顯示對比度。</p><p>　　投影物鏡負責將DMD調制后的光線投射到屏幕上，通常采用反遠距的結構形式。</p><p>　　2.4復眼照明系統(tǒng)及工作原理DLP照度均勻度及光斑圖</p><p>　　復眼照明系

21、統(tǒng)是投影顯示系統(tǒng)中常見的一種照明結構，能夠將光源發(fā)出的圓形光斑轉換為顯示器件需要的矩形光斑，同時還可以有效的提高系統(tǒng)的照明均勻性。圖2給出了復眼照明系統(tǒng)的基本結構。圖3給出了實際的復眼透鏡的陣列結構。其工作原理是：發(fā)光電弧位于拋物碗的焦點上，發(fā)出的光線經冷拋物反光碗反射后成為近準直光束，投射在第一組復眼透鏡上，并由第一組復眼的小透鏡會聚成像在第二塊復眼透鏡上，從而將一個光源分成多個光源。第二組復眼透鏡位于第一組復眼透鏡的焦平面上，它的每

22、個小透鏡將前排復眼對應的小透鏡重疊成像于無窮遠，然后由后繼照明透鏡組成像于空間光調制器的表面上。準直透鏡同時又把第二排復眼透鏡(第一排復眼所成的多個光源像)成像在投影物鏡的出瞳處(無窮遠處)，從而形成柯拉照明結構。由于光源的整個光束被分為多個細光束照明，每個細光束的均勻性優(yōu)于整個寬光束的均勻性，而且對稱位置上的細光束光斑相互疊加，進一步補償了細光束的不均勻性，因而采用雙組復眼透鏡的系統(tǒng)可以獲得良好的照明均勻度。</p>&

23、lt;p>　　圖 2.2 復眼照明系統(tǒng)的基本結構</p><p>　　圖 2.3 復眼透鏡的基本結構</p><p>　　為充分發(fā)揮透鏡陣列的作用，需要選擇適當的復眼透鏡結構參數，包括透鏡口徑、小透鏡的焦距和數值孔徑、以及復眼的行列數。</p><p>　　2.5 方棒照明系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　方棒是另一種常用的

24、將光源輸出的圓形光斑轉化為液晶板所需要的矩形照明光斑，通常方棒位于橢球反光碗的第二焦點上，其截面長寬比與液晶板的長寬比相等。光線進入方棒后，經過多次反射從另一端面出射，在出射面上形成照明均勻的矩形光斑。圖4給出了方棒器件的工作原理。</p><p>　　圖 2.4 光線在方棒內的多次反射</p><p>　　3 激光顯示照明系統(tǒng)的設計方法</p><p>　　傳統(tǒng)

25、的單片式DLP光學引擎照明系統(tǒng)由弧光燈光源和反光碗、積分方棒、中繼系統(tǒng)構成，這里我們采用激光光源，耦合透鏡，積分方棒，中繼透鏡。激光光源是一種理想的光源，目前技術正日益成熟。</p><p>　　LED光源是目前微型光引擎中主要的光源，半導體激光（LD）光源是另一種討論的較多的光源。對比LED光源，其在普通照明，汽車照明，LCD顯示等方面都有大量的市場需求，我們需要設計基于單片DMD的激光顯示照明系統(tǒng)，激光發(fā)散角

26、12.7度；DMD尺寸16×11.38cm。通過光學設計軟件仿真得出照明系統(tǒng)的特性，如照明均勻度、光能利用率、照明光束的數值孔徑等。</p><p><b>　　系統(tǒng)光源</b></p><p>　　由于激光光源具有單波長，準直，偏振輸出等優(yōu)點，相比于傳統(tǒng)光源,色彩表達力強、功耗低、壽命長, 無需更換光源（免維護）、保持長久高畫質、亮度及色溫隨時可調、實現超

27、高亮度、適應各種工程投影環(huán)境、實現無噪音投影環(huán)境等特點。</p><p><b>　　3.2 積分方棒</b></p><p>　　積分方棒一般是實心玻璃棒或者中空的玻璃棒，前者利用全內反射原理，后者則是在中空內壁鍍有反射膜，這樣光線進入方棒后經過多次反射就能實現勻光的目的。其截面長寬比與DMD芯片的長寬比相等。光線進入方棒后，經過多次反射從另一端面出射，在出射面上

28、形成照明均勻的矩形光斑。</p><p>　　圖3.1 積分方棒原理示意圖</p><p>　　光源發(fā)出的光能經過方棒多次反射后均勻分布在方棒的出射端，但由于光學系統(tǒng)結構和方棒尺寸的限制，通常無法直接將方棒的處射面直接置于空間光調制器的表面上， 因而在方棒后面需要引入額外的中繼透

29、鏡組，將方棒的出射面成像在至DMD芯片表面，使DMD表面形成亮度均勻的照明光斑。中繼系統(tǒng)必須具有較高的光能利用率，但它對像差的要求并不是很嚴格，只需進行簡單的像差校正以保證照明均勻性不被破壞即可。照明透鏡組需要滿足光源／方棒與顯示器件／投影物鏡之間光學擴展量的匹配，從而保證系統(tǒng)的能量利用率，同時照明鏡組的結構也要考慮光學系統(tǒng)和機構的要求。</p><p>　　圖 3.2 照明系統(tǒng)結構圖</p>

30、<p><b>　　3.3 中繼透鏡</b></p><p>　　要通過中繼透鏡組將方棒出射端成像在DMD器件表面，方棒通常具有與DMD相同或接近的長寬比。照明鏡組的放大率等于空間光調制器與方棒出射端尺寸之比，不僅要求盡量減少透鏡的數量，而且還要考慮光路轉折、各種棱鏡等對光路的影響。方棒照明系統(tǒng)的設計，可以從簡單的4F式光路結構出發(fā)，如圖所示。</p><p&g

31、t;　　圖 3.3 4F成像系統(tǒng)的基本結構</p><p>　　4F系統(tǒng)中方棒的出射端和空間光調制器分別位于第一塊透鏡的物方焦平面和第二塊透鏡的像方焦平面上，兩塊透鏡焦距之比就是系統(tǒng)的放大率，即：根據照明系統(tǒng)對機械結構的要求，就可以得到兩塊透鏡的焦距，從而得到照明光路的初始結構。但是兩片球面透鏡的結構無法滿足系統(tǒng)對像差的要求，可以在此基礎上通過增加新的透鏡或是采用非球面透鏡實現像差的校正。通常，采用3到4片透鏡

32、的照明光路可以較好的滿足系統(tǒng)對照明光斑質量的要求。</p><p>　　4 照明系統(tǒng)的設計與仿真</p><p><b>　　4.1 系統(tǒng)的設計</b></p><p>　　空間光調制器(DLP)的光學擴展量</p><p>　　本設計DLP尺寸為長16mm寬11.38mm，DMD器件的反射鏡轉動角度達到了±

33、12。</p><p>　　方棒照明系統(tǒng)的像高和像方數值孔徑或F數由DMD芯片決定。對于微反射鏡偏轉角度為的DMD器件，照明光束的F／#由下式決定：</p><p><b>　　（4.1）</b></p><p>　　其中為芯片空氣的折射率，為照明光束的數值孔徑NA=sin12.7=0.22。</p><p>　　當為1

34、2度時，可得F／#=2.4。也即，照明光束的孔徑角最大為。</p><p>　　根據公式計算該空間光調制器的光學擴展量為：24.8。</p><p>　　入射光管的光學擴展量</p><p>　　設入射光管的光斑尺寸為R＝1.25mm，則光管入射處光學擴展量為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p

35、><p>　　系統(tǒng)光源的發(fā)散角12.7°，方棒長寬高分別為4mm,3mm,25mm, DLP最大孔徑角。</p><p>　　4.2 設定系統(tǒng)光源</p><p>　　我們用軟件zemax進行系統(tǒng)設計，首先激光光源設定為二極管。</p><p>　　圖4.1 設定光源為二極管光源</p><p>　　圖 4.2

36、 光源的波長</p><p>　　4.3 方棒的尺寸確定</p><p>　　本設計DLP尺寸為長16mm、寬11.38mm（約4：3），DMD器件的反射鏡轉動角度±12°；光源為高斯分布光束，功率100W；根據DLP的尺寸要求，方棒截面選擇4×3mm。</p><p>　　圖 4.3 設定方棒材料尺寸</p><

37、;p>　　方棒長度增加，能夠增加照明的均勻性，但并不是越長對均勻性的效果越明顯，當達到一定長度時，均勻性隨長度改變不明顯。</p><p>　　下面是針對截面為4×3mm方棒的不同長度均勻性的軟件模擬結果。</p><p>　　圖 4.4 探測器控制面</p><p>　　設光管截面為4×3mm，不同長度輸出端的均勻度如下。</p&

38、gt;<p><b>　　1、長度5mm</b></p><p>　　圖4.5 長度5mm輸出端光斑和光能分布</p><p><b>　　2、長度10mm</b></p><p>　　圖4.6 長度10mm輸出端光斑和光能分布</p><p><b>　　3、長度17mm&

39、lt;/b></p><p>　　圖4.7 長度17mm輸出端光斑和光能分布</p><p><b>　　4、長度22mm</b></p><p>　　圖4.8 長度22mm輸出端光斑和光能分布</p><p><b>　　5、長度27mm</b></p><p>　　

40、圖4.9 長度27mm輸出端光斑和光能分布</p><p><b>　　6、長度33mm</b></p><p>　　圖4.10 長度33mm輸出端光斑和光能分布</p><p><b>　　7、長度43mm</b></p><p>　　圖4.11 長度43.5mm輸出端光斑和光能分布</p&

41、gt;<p>　　根據模擬，光管長度達到25mm后，隨著長度的增加均勻度改善并不明顯。且長度的增加，不利于光能利用。因此，選擇截面尺寸4mm*3mm，長度25mm的光管。均勻度效果如下?？梢钥吹剑獍咻敵鲂螤詈驼斩染鶆蚨容^好。</p><p>　　圖 4.12 長度25mm光管出射端光斑 圖4.13 長度25mm光管出射端X方向均勻度</p><p>　　

42、圖4.14 長度25mm光管出射端Y方向均勻度</p><p>　　4.4 中繼透鏡設計</p><p>　　在這里我們用4F系統(tǒng)設計中繼透鏡，DLP尺寸為長16mm寬11.38mm，方棒長寬高分別為4mm,3mm,25mm,照明鏡組的放大率等于空間光調制器與方棒出射端尺寸之比， M=。中繼系統(tǒng)兩個透鏡的焦距分別為10mm,40mm。</p><p>　　首先是焦距

43、40mm的透鏡，zemax設計如下：</p><p>　　圖 4.15 透鏡的編輯</p><p>　　圖 4.16 透鏡優(yōu)化</p><p>　　圖 4.17 3D外形圖</p><p>　　下面是焦距10mm透鏡的設計過程：</p><p>　　圖 4.18 透鏡參數和評價函數</p><p

44、>　　圖 4.19 透鏡的外形圖和特性曲線</p><p>　　4.5 系統(tǒng)的仿真分析：</p><p>　　圖 4.20 系統(tǒng)的參數</p><p>　　圖 4.21 系統(tǒng)的3D 外形圖</p><p>　　4.5.1 光管出射光斑及光學擴展量</p><p>　　圖 4.22光管出射端光斑及尺寸</

45、p><p>　　圖 4.23出射端光均勻度</p><p>　　光管出射端光學擴展量為</p><p>　　4.5.2 DLP上光斑及均勻性</p><p>　　經光管進行光斑轉換及中繼光學系統(tǒng)后，DLP上光亮度如圖：</p><p>　　圖4.24 DLP上光斑及照度</p><p>　　圖4

46、.25 X、Y方向的照度均勻性</p><p>　　由上圖可以看到，在DLP上的照明尺寸略微偏小，但照明均勻性較好。DLP上光通量為70.9lm,幅通量70.9W，光源功率100W,系統(tǒng)的能量利用率為70.9%。</p><p><b>　　5總結</b></p><p>　　視覺是人類獲取外界信息的主要手段。隨著科學技術的迅猛發(fā)展和信息的爆

47、炸式增長，顯示技術對提高人們的信息獲取和處理能力有著非常重要的作用，而人們對顯示系統(tǒng)的亮度、分辨率化也有著越來越高的要求。投影顯示，是迄今實現大屏幕顯示的最為理想的方案，隨著微型空間光調制器技術和光學技術的發(fā)展，投影顯示系統(tǒng)在大屏幕顯示的圖像亮度、分辨率、清晰度、以及圖像對比度、色彩、穩(wěn)定性、壽命等方面的性能得到不斷提高，多媒體和數字化功能不斷豐富，體積、重量和成本則不斷降低，在眾多場合具有日益廣闊的應用前景。</p>&

48、lt;p>　　光學系統(tǒng)是投影顯示系統(tǒng)主要組成部分之一，對整個系統(tǒng)的能量利用率、照明均勻性、對比度、分辨率、色彩等性能都有著重要的影響。投影顯示產品的不斷更新?lián)Q代，對提高系統(tǒng)的亮度、對比度等光學性能提出了很高的要求。</p><p>　　本文通過了解各種光學引擎的現狀，分析光調制器和照明系統(tǒng)的原理，對復眼和方棒兩種常見的投影照明光學系統(tǒng)的原理和設計方法進行了詳細的討論，采用ZEMAX光學設計軟件，并以光學擴展