激光照明信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計

1、理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 1 -目錄目錄1 1 引言引言.21.1 研究背景 .21.2 投影顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 .32 2 投影顯示照明系統(tǒng)投影顯示照明系統(tǒng).42.1 照明系統(tǒng) .42.2 光學擴展量 .42,3 單片式 DLP 投影光學引擎的基本結(jié)構(gòu)和工作原理.42.4 復眼照明系統(tǒng)及工作原理 DLP 照度均勻度及光斑圖.52.5 方棒照明系統(tǒng)的工作原理 .63 3 激光顯示照明系統(tǒng)的設(shè)計方法激光顯示照明系統(tǒng)的設(shè)計方法.73.1 系統(tǒng)光源.73.2 積分方棒 .73.3 中繼透鏡 .84 4 照明系統(tǒng)的設(shè)計與仿真照明系統(tǒng)的設(shè)計與仿真.94.1 系統(tǒng)的設(shè)計.94.2 設(shè)定系統(tǒng)光源.94

2、.3 方棒的尺寸確定 .104.4 中繼透鏡設(shè)計.144.5 系統(tǒng)的仿真分析.155 5 總結(jié)總結(jié).18參考文獻參考文獻.19理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 2 -1 1 引言引言傳統(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(xiàn)很高的光能利用效率，這樣便可實現(xiàn)高畫質(zhì)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(zhì)、亮度及色溫隨時可調(diào)、實現(xiàn)超高亮度、適應(yīng)各種工程投影環(huán)境、實現(xiàn)無噪音投影環(huán)境等特點，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

3、術(shù)在高端應(yīng)用尤其是高端大屏幕顯示市場的廣闊發(fā)展空間。1.11.1 研究背景研究背景顯示技術(shù)可以分為直接顯示與投影顯示兩類。直接顯示技術(shù)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)、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(shù)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(yīng)用， 現(xiàn)代大屏幕顯示系統(tǒng)因其應(yīng)用范圍廣、技術(shù)難度大以及系統(tǒng)復雜而受到眾多廠商及科技人員的關(guān)注，現(xiàn)已成為顯示領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。從顯示原理和技術(shù)的角度來看，現(xiàn)在較為成熟和商用化的大屏幕顯

4、示技術(shù)主要有液晶顯示技術(shù)、等離子顯示技術(shù)和投影顯示技術(shù)。投影顯示技術(shù)是實現(xiàn)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(chǎn)生的圖像經(jīng)過光學系統(tǒng)投射到屏幕上產(chǎn)生圖像的顯示方式。根據(jù)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(diào)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(diào)制型投影顯示，顯示器件本身不發(fā)光，而是根據(jù)輸入信號改變顯示媒質(zhì)的某些電光特性，如反射率、投射率、折射率、雙折射效應(yīng)、散射等，經(jīng)外加光源照射，將顯示器件上的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像經(jīng)光學系統(tǒng)讀出并投影在屏幕上。主要包括LCD

5、、LCLV(液晶光閥)、LCoS、DLP等各種投影顯示技術(shù)。調(diào)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(diào)制器、驅(qū)動電路系統(tǒng)和成像光學系理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 3 -統(tǒng)等部分組成。按照投影機、觀察者與屏幕的相對位置關(guān)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(cè)的投影系統(tǒng)，其特點是體積、重量小，亮度高，廣泛應(yīng)用于會議、家庭影院、數(shù)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(chǎn)品LCD投影機，但近年來隨著DLP技術(shù)州的成熟，DLP投影產(chǎn)品所占有的市場份額迅速上升。相比于LCD投影技術(shù)，DLP前投系統(tǒng)在小型化和光

6、學穩(wěn)定性上更其優(yōu)勢。整個投影顯示市場可以分為消費產(chǎn)品、商務(wù)應(yīng)用產(chǎn)品、大型公共場合應(yīng)用產(chǎn)品、小型公共場合應(yīng)用產(chǎn)品和高端應(yīng)用產(chǎn)品等五個主要應(yīng)用領(lǐng)域。1.21.2 投影顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀投影顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀七大DLP光學引擎制造商：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)） 。LCOS光學引擎：日本CHINONTEC，昂納明達、Philips、ZEISS、韓國KTS。LCD：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(chǎn)值，并且未來幾年里，投影顯示技術(shù)的市場將繼續(xù)高速增長。隨著數(shù)字高清電視的普及，家庭消費產(chǎn)品將成為投影顯示市場的主力。傳

7、統(tǒng)的CRT投影技術(shù)將逐漸被日趨成熟的LCDDLPLCoS投影顯示技術(shù)所取代，投影顯示市場的爭奪也將逐漸從LCD、DLP等技術(shù)與CRT技術(shù)問的競爭向液晶投影技術(shù)與DLP投影技術(shù)間的競爭轉(zhuǎn)變。理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 4 -2 2 投影顯示照明系統(tǒng)投影顯示照明系統(tǒng)2 21 1 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)是將光能從光源傳遞到空間光調(diào)制器件的橋梁。照明系統(tǒng)的設(shè)計，一方面要考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(nèi)獲得最佳的輸出光通量。投影顯示系統(tǒng)需要在大面積范圍內(nèi)獲得高質(zhì)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

8、和充分均勻的照明的要求。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，并將光源陣列的像疊加，以實現(xiàn)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(diào)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。2.22.2 光學擴展量光學擴展量光學擴展量是非成像光學理論中的重要概念，用于描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： dAdnEtenduecos2 （2-1）式中為面積dA與立體角d 的中心軸之間的夾角

9、。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(jù)的空間立體角的積分。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)傳輸光能的能力越強。 2,32,3 單片式單片式 DLPDLP 投影光學引擎的基本結(jié)構(gòu)和工作原理投影光學引擎的基本結(jié)構(gòu)和工作原理單片式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)三部分，它的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 5 - 圖 2.1 單片式 DLP 投影光學引擎的基本結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)由光源和反光碗(Lamp and reflector)、積分方棒(Integrator rod)、中繼系統(tǒng)(Relay system)構(gòu)成。光

10、源一般采用超高壓水銀燈，它通過燈弧間高壓放電產(chǎn)生白光。反光碗是旋轉(zhuǎn)橢球面的一部分，當燈弧置于橢球面的一個焦點時，經(jīng)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(xiàn)了對DMD微鏡陣列的均勻照明了。由于DMD器件對調(diào)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)。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(zhuǎn)。當反光碗把光源的光會聚到方棒端面時，白光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的色輪濾色片后變?yōu)?/p>

11、紅綠藍三種基色光，經(jīng)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(jù)顯示信號對依次照明的基色光進行同步調(diào)制，就能通過投影物鏡在屏幕上實現(xiàn)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(chǎn)生視覺暫留效應(yīng)，看到的就是彩色的圖像。投影系統(tǒng)主要是由全內(nèi)反射棱鏡和投影物組成的。TIR棱鏡由兩塊棱鏡構(gòu)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(nèi)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，光線將不滿足全內(nèi)反射條件產(chǎn)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

12、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。 投影物鏡負責將DMD調(diào)制后的光線投射到屏幕上，通常采用反遠距的結(jié)構(gòu)形式。2.42.4 復眼照明系統(tǒng)及工作原理復眼照明系統(tǒng)及工作原理 DLPDLP 照度均勻度及光斑圖照度均勻度及光斑圖復眼照明系統(tǒng)是投影顯示系統(tǒng)中常見的一種照明結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的圓形光斑轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。圖3給出了實際的復眼透鏡的陣列結(jié)構(gòu)。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(jīng)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

13、眼透鏡上，理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 6 -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，它的每個小透鏡將前排復眼對應(yīng)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(diào)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(jié)構(gòu)。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。 圖 2.2 復眼照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖 2.3 復眼透鏡

14、的基本結(jié)構(gòu)為充分發(fā)揮透鏡陣列的作用，需要選擇適當?shù)膹脱弁哥R結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括透鏡口徑、小透鏡的焦距和數(shù)值孔徑、以及復眼的行列數(shù)。2.52.5 方棒照明系統(tǒng)的工作原理方棒照明系統(tǒng)的工作原理方棒是另一種常用的將光源輸出的圓形光斑轉(zhuǎn)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(jīng)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。理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 7 -圖 2.4 光線在方棒內(nèi)的多次反射3 3 激光顯示照明系統(tǒng)的設(shè)計方法激光顯示照明系統(tǒng)的設(shè)計方法傳統(tǒng)的單片式 DLP 光學引擎照明

15、系統(tǒng)由弧光燈光源和反光碗、積分方棒、中繼系統(tǒng)構(gòu)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(shù)正日益成熟。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(shè)計基于單片 DMD 的激光顯示照明系統(tǒng)，激光發(fā)散角 12.7 度；DMD尺寸 1611.38cm。通過光學設(shè)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(shù)值孔徑等。3 31 1系統(tǒng)光源系統(tǒng)光源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)

16、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(zhì)、亮度及色溫隨時可調(diào)、實現(xiàn)超高亮度、適應(yīng)各種工程投影環(huán)境、實現(xiàn)無噪音投影環(huán)境等特點。3.23.2 積分方棒積分方棒 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(nèi)反射原理，后者則是在中空內(nèi)壁鍍有反射膜，這樣光線進入方棒后經(jīng)過多次反射就能實現(xiàn)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(jīng)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。理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 8 - 圖 3.1 積分方棒原理示意圖光源發(fā)出的光能經(jīng)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(jié)構(gòu)和

17、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(diào)制器的表面上， 因而在方棒后面需要引入額外的中繼透鏡組，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(jié)構(gòu)也要考慮光學系統(tǒng)和機構(gòu)的要求。 圖 3.2 照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.33.3 中繼透鏡中繼透鏡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。

18、照明鏡組的放大率等于空間光調(diào)制器與方棒出射端尺寸之比，不僅要求盡量減少透鏡的數(shù)量，而且還要考慮光路轉(zhuǎn)折、各種棱鏡等對光路的影響。方棒照明系統(tǒng)的設(shè)計，可以從簡單的4F式光路結(jié)構(gòu)出發(fā)，如圖所示。理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 9 -圖 3.3 4F成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)4F系統(tǒng)中方棒的出射端和空間光調(diào)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：12/ ffM 根據(jù)照明系統(tǒng)對機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。但是兩片球面透鏡的結(jié)構(gòu)無法滿足系統(tǒng)對像差的要求，可以在此基礎(chǔ)上通過增加新的透鏡或是采用非球面透鏡實現(xiàn)像差

19、的校正。通常，采用3到4片透鏡的照明光路可以較好的滿足系統(tǒng)對照明光斑質(zhì)量的要求。4 4 照明系統(tǒng)的設(shè)計與仿真照明系統(tǒng)的設(shè)計與仿真4.14.1 系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計 空間光調(diào)制器(DLP)的光學擴展量本設(shè)計 DLP 尺寸為長 16mm 寬 11.38mm，DMD 器件的反射鏡轉(zhuǎn)動角度達到了12。方棒照明系統(tǒng)的像高和像方數(shù)值孔徑或F數(shù)由DMD芯片決定。對于微反射鏡偏轉(zhuǎn)角度為的DMD器件，照明光束的F#由下式?jīng)Q定：1/ #2 sinFn （4.1）其中n為芯片空氣的折射率，sinn為照明光束的數(shù)值孔徑NA=sin12.7=0.22。當為12度時，可得F#=2.4。也即，照明光束的孔徑角最大為12。根

20、據(jù)公式 222tendue=ncos4nAEdAdF 計算該空間光調(diào)制器的光學擴展量為：24.8steradianmm 2。入射光管的光學擴展量設(shè)入射光管的光斑尺寸為 R1.25mm，則光管入射處光學擴展量為：理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 10 - 222emax2222sin1.25sin (12.7)0.75mm steradianEAR A （4.2）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12。4.24.2 設(shè)定系統(tǒng)光源設(shè)定系統(tǒng)光源 我們用軟件 zemax 進行系統(tǒng)設(shè)計，首先激光光源設(shè)定為二極管。圖 4.1 設(shè)定光源為二極管光源

21、圖 4.2 光源的波長4.34.3 方棒的尺寸確定方棒的尺寸確定本設(shè)計DLP尺寸為長16mm、寬11.38mm（約4：3），DMD器件的反射鏡轉(zhuǎn)動角度12；光源為高斯分布光束，功率100W；根據(jù)DLP的尺寸要求，方棒截面選擇43mm。理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 11 - 圖 4.3 設(shè)定方棒材料尺寸方棒長度增加，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。下面是針對截面為43mm方棒的不同長度均勻性的軟件模擬結(jié)果。圖 4.4 探測器控制面設(shè)光管截面為43mm，不同長度輸出端的均勻度如下。1、長度5mm圖4.5 長度5mm輸出端光斑和光

22、能分布2、長度10mm理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 12 -圖4.6 長度10mm輸出端光斑和光能分布3、長度17mm圖4.7 長度17mm輸出端光斑和光能分布4、長度22mm圖4.8 長度22mm輸出端光斑和光能分布5、長度27mm理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 13 -圖4.9 長度27mm輸出端光斑和光能分布6、長度33mm圖4.10 長度33mm輸出端光斑和光能分布7、長度43mm圖4.11 長度43.5mm輸出端光斑和光能分布根據(jù)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

23、勻度效理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 14 -果如下?？梢钥吹剑獍咻敵鲂螤詈驼斩染鶆蚨容^好。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方向均勻度圖4.14 長度25mm光管出射端Y方向均勻度4.44.4 中繼透鏡設(shè)計中繼透鏡設(shè)計 在這里我們用 4F 系統(tǒng)設(shè)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(diào)制器與方棒出射端尺寸之比，理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 15 - M=12/ ffM 。中繼系統(tǒng)兩個透鏡的焦距分別為 10mm,40mm。首先是焦距 40mm 的透鏡，zemax 設(shè)計如下：圖 4.15 透鏡的編輯 圖 4.16 透鏡優(yōu)化 圖 4.17 3D 外形圖下面是焦距 10mm 透鏡的設(shè)計過程：理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 16 - 圖 4.18 透鏡參數(shù)和評價函數(shù) 圖 4.19 透鏡的外形圖和特性曲線4.54.5 系統(tǒng)的仿真分析：系統(tǒng)的仿真分析：圖 4.20 系統(tǒng)的參數(shù)理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 17 -圖 4.21 系統(tǒng)的 3D 外形圖4.5.1 光管出射光斑及光學擴展量 圖 4.22 光管出射端光斑及尺寸圖 4.23 出射端光均勻度理工大學信息顯示與技術(shù)課程設(shè)計- 18 -光管出射端光學擴展量為2omax2