液晶投影顯示復(fù)方照明的性能分析

液晶投影顯示復(fù)方照明的性能分析

0治療系統(tǒng)性能測(cè)試復(fù)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(gè)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(gè)過濾透鏡的矩陣轉(zhuǎn)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(shí)起，雙重過濾透鏡可以應(yīng)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(shè)計(jì)的兩種過濾矩陣方法，這可以進(jìn)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(xué)方法，并且從過濾透鏡的距離、數(shù)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(diào)光4.4矩陣模型來描述復(fù)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)兩個(gè)過濾透鏡系統(tǒng)的制造誤差和相位差進(jìn)行模擬分析。1基于光能、照明均勻性的復(fù)合式復(fù)合法求解光學(xué)系統(tǒng)的變換推導(dǎo)雙排復(fù)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(fù)眼透鏡上,第一排復(fù)眼將光源形成多個(gè)光源像進(jìn)行照明,第二排復(fù)眼透鏡的每個(gè)小透鏡將第一排復(fù)眼透鏡對(duì)應(yīng)的小透鏡重疊成像于照明面上,由于第一排復(fù)眼透鏡將光源的整個(gè)寬光束被分為多個(gè)細(xì)光束照明,且每個(gè)細(xì)光束范圍內(nèi)的微小不均勻性由于處于對(duì)稱位置細(xì)光束的相互疊加,使細(xì)光束的微小不均勻性獲得補(bǔ)償,因此采用雙排復(fù)眼透鏡可使整個(gè)孔徑內(nèi)的光能量得到有效均勻的利用.眾所周知,對(duì)于共軸光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的變換矩陣.對(duì)于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)而言,到達(dá)最后目標(biāo)面的光學(xué)變換矩陣運(yùn)用矩陣連乘積描述為[h′sinu′]=[abcd][hsinu]=n∏i=1Μ[hsinu](1)由于復(fù)眼透鏡的每個(gè)小透鏡相對(duì)于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)而言是非共軸的,顯然,這種非共軸對(duì)光線和光束的傳輸采用2×2變換矩陣無法正確反映光學(xué)系統(tǒng)的變換特性,考慮二維向前非共軸光學(xué)系統(tǒng),采用兩次坐標(biāo)變換,即(h1?u1)調(diào)整變換成共軸系統(tǒng)→(h1m?u1m)共軸傳輸→(h2m?u2m)(h2m?u2m)調(diào)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(kuò)展為4×4矩陣(h′u′11)=(abαεβε′cdγεδε′00100001)(hu11)(2)整體復(fù)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(kuò)展4×4矩陣能對(duì)復(fù)眼透鏡系統(tǒng)進(jìn)行較好的描述,此外,擴(kuò)展4×4矩陣可以引入包含有位移及角度參數(shù)ε及ε′,如小透鏡制造誤差引起的位移與角度變化,能對(duì)復(fù)眼透鏡進(jìn)行容差分析.對(duì)照明系統(tǒng)我們采用光能利用率和照明均勻性作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),由上述光線變換矩陣和程函可對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),程函的表達(dá)式為L(zhǎng)=L0+uh+εh′+12Uh21-vhh′+12Wh′2(4)式中,L為程函,L0為光學(xué)系統(tǒng)在光軸上的光程u,v,w,U,W可由光學(xué)變換矩陣得通過衍射積分和程函計(jì)算出照明面上某點(diǎn)場(chǎng)分布Ι(x,y)=-ik2πλ?Ι1(x1?y1)eikLdx1dy1(6)式中,I1為光源發(fā)光面的場(chǎng)強(qiáng)度分布,因此,雙排復(fù)眼系統(tǒng)照明面總強(qiáng)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(fù)合式加強(qiáng)對(duì)復(fù)合膜照明面的誤差基于4×4擴(kuò)展矩陣模型,建立雙排復(fù)眼透鏡系統(tǒng)光線追跡軟件,模擬照明面直觀的光強(qiáng)分布情況,圖2為模擬設(shè)計(jì)的復(fù)眼照明系統(tǒng)無誤差情況下在液晶板照明面的光強(qiáng)分布,其中縱坐標(biāo)強(qiáng)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(jié)構(gòu)如表1.復(fù)眼透鏡的誤差主要有:一種是復(fù)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(duì)位置誤差,如復(fù)眼與其他元件之間的位置誤差、復(fù)眼相對(duì)于主光面的平移、偏轉(zhuǎn)等,復(fù)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(fù)眼透鏡和第二排復(fù)眼透鏡的面形誤差和中心偏差,圖3(a)為第一排復(fù)眼透鏡曲率半徑誤差在±5%內(nèi)的情況下對(duì)照明面的影響,圖3(b)為第二排復(fù)眼透鏡曲率半徑誤差在±5%內(nèi)的情況下對(duì)照明面的影響,圖3(c)為第一排復(fù)眼透鏡中心偏差在±0.05mm內(nèi)的情況下對(duì)照明面的影響,圖3(d)為第二排復(fù)眼透鏡中心偏差在±0.05mm內(nèi)的情況下對(duì)照明面的影響,表2(a)、(b)列出對(duì)應(yīng)的各種誤差對(duì)照明面光能利用率和照明均勻性的影響數(shù)值,模擬表明第一排復(fù)眼透鏡的面形誤差和中心偏差對(duì)照明系統(tǒng)能量利用率的影響大于第二排復(fù)眼透鏡,而第二排復(fù)眼透鏡的上述誤差對(duì)照明均勻性的影響大于第一排復(fù)眼透鏡.復(fù)眼透鏡系統(tǒng)的相對(duì)位置誤差主要有復(fù)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(fù)眼透鏡和第二排復(fù)眼透鏡的上述誤差影響,圖4(a)、圖4(b)為第一排、第二排復(fù)眼透鏡橫向位置平移±0.1mm對(duì)照明面的影響,圖4(c)、圖4(d)分別為第一排復(fù)眼透鏡和第二排復(fù)眼透鏡軸向傾斜對(duì)照明面的影響,圖4(e)為復(fù)眼透鏡軸向位移±0.1mm對(duì)照明面的影響,表3分別列出雙排復(fù)眼透鏡不同的位置誤差對(duì)照明光能效率和均勻性的影響數(shù)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(shí),模擬顯示軸向傾斜誤差±10對(duì)系統(tǒng)能量利用率和照明均勻性影響較大,軸向雙排復(fù)眼平移誤差會(huì)影響系統(tǒng)能量利用率.由以上對(duì)復(fù)眼照明系統(tǒng)模擬表明:復(fù)眼透鏡的相對(duì)位置誤差對(duì)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(duì)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(fù)眼透鏡的容差要小于第一排復(fù)眼透鏡.3復(fù)合透射照明系統(tǒng)誤差分析本文討論了液晶投影顯示復(fù)眼透鏡照明系統(tǒng)的4×4擴(kuò)展矩陣模型,并利用自建的程序,分析了復(fù)眼透鏡的制造誤差和位置誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響,分析表明:液晶投影顯示雙排復(fù)眼照明系統(tǒng)中,雙排復(fù)眼透鏡相對(duì)位置誤差對(duì)系統(tǒng)性能影響較大,其敏感程度要