1、工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)投影儀照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2011-5-31電子科技大學(xué) 08 級(jí)英才 1 班作者：羅小嘉2801305018周浩2801304029皮秀敏 2801306016任課教師：嚴(yán)高師.摘要本文就現(xiàn)在市場(chǎng)上的投影儀情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分析、對(duì)比，并具體對(duì)lcos 的照明系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為具體的研究討論。在這篇文章中，由工程光學(xué)的研究角度，由投影儀的基本原理入手，通過(guò)對(duì)個(gè)部分的建模和仿真， 探尋一種合理的能提高屏幕亮度，照度均勻性的方法。由于時(shí)間有限，很多地方都并沒(méi)有分析得很清楚。當(dāng)然，這一定程度上是因?yàn)橥队皟x的照明系統(tǒng)本身就是一個(gè)比較大的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外都有對(duì)此進(jìn)行研究， 希望能更好的提高光利用

2、率以及成像質(zhì)量。國(guó)內(nèi)的投影儀技術(shù)還相對(duì)較為落后。而日本則在這方面走在世界前列。而筆者在此也表示沒(méi)有達(dá)到自己所期望的目標(biāo)，以后如果有機(jī)會(huì)，將繼續(xù)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了解、研究。abstractthis paper the projector on the market now on simple analysis, comparative, and on specific lcos lighting systems are all parts structure specific research discussion. in this article, from the angle of engin

3、eering optics, the study of the basic principles of overhead projector, through a part of the modeling and simulation, explores a kind of rational can improve the screen brightness, intensity of illumination uniformity method. because of the limit time, a lot of places don tanalysis very clearly. ho

4、wever, partly because the illuminator systems itself is a big project. domestic and international groups are studying this, and hope to improve the utilization and image quality. domestic projector technology is still relatively backward. but japan is leading in this respect in the world.but the aut

5、hor in this also say that they have not achieved their desired goal, later if there is a chance, will continue to study and research this problem.目錄1、引言31.1、歷史背景31.2、投影儀市場(chǎng)現(xiàn)狀分析32、正文42.1 、 lcos 投影儀的基本結(jié)構(gòu)和原理42.2、投影儀各部分元件分析62.2.1、反光鏡62.2.3、光管72.2.4、 復(fù)眼透鏡陣列72.3、參數(shù)計(jì)算92.3.1、焦距比f(wàn) 決定了照度和通過(guò)系統(tǒng)的流量92.3.2、對(duì)于復(fù)眼透鏡陣列

6、系統(tǒng)92.3.3、 pbs 分光棱鏡102.3.4、照明系統(tǒng)的f 參數(shù)113、系統(tǒng)模擬124、總結(jié)13參考文獻(xiàn)：14.1、引言1.1 、歷史背景在會(huì)議中或者視聽(tīng)教學(xué)場(chǎng)所，演說(shuō)者為了把自己的意思表達(dá)給全體觀眾，常常將演說(shuō)內(nèi)容制作成投影片或者幻燈片，利用投影儀將資料投影到屏幕上，使得觀眾能清的了解演說(shuō)者要表達(dá)的訊息。公元1839 年法國(guó)人奧古斯特發(fā)明了幻燈機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。他將文字或圖片制作成幻燈片，利用幻燈機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)將幻燈片上的影響投射到屏幕上。成為歷史上第一臺(tái)靜止圖像的投影儀。由于其體積小攜帶方便，至今仍廣泛使用。圖 1隨著近年來(lái)投影顯示迅速發(fā)展，投影機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)開(kāi)始從教

7、育等專業(yè)市場(chǎng)逐步向家庭， 娛樂(lè)等新興市場(chǎng)轉(zhuǎn)移， 為了適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需要， 開(kāi)發(fā)低成本、 性能適中、工藝簡(jiǎn)單的小型投影儀已成為必然趨勢(shì)。1.2 、投影儀市場(chǎng)現(xiàn)狀分析對(duì)于投影儀的評(píng)價(jià)目前主要從三個(gè)方面進(jìn)行：1)屏幕上的亮度： 單純依靠改變光源自身功率來(lái)提高屏幕亮度的方法是不理想的，目前主要采用提高光源效率，減少光學(xué)組件能量損耗和加裝微透鏡等技術(shù)手段來(lái)提高亮度。2)屏幕上照明均勻性：在投影儀的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用兩種器件來(lái)實(shí)現(xiàn)照明均勻化.目的， 一是采用成像元件一透鏡陣列，另一種是非成像元件一積分光管，比較這兩種器件實(shí)現(xiàn)照明均勻他的原理，透鏡陣列的加工和設(shè)計(jì)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜并且成本高，而積分光管是通過(guò)

8、使光線進(jìn)入其內(nèi)部后經(jīng)多次反射后，實(shí)現(xiàn)在光管的末端形成均勻的照明的目的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，造價(jià)低廉，高效率等特點(diǎn)。3)由投影儀投影鏡頭確定的像質(zhì)評(píng)價(jià)。本文著重討論的是投影儀照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從前兩個(gè)因素來(lái)考慮完善投影儀照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前市場(chǎng)上仍以 lcd 、 dlp 與 lcos 三類投影機(jī)為主。我們對(duì)三種投影機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)做一個(gè)比較，整理如下表分項(xiàng)穿透式 lcd反射式 dlp反射式 lcos優(yōu)點(diǎn)制作技術(shù)較完整高對(duì)比度開(kāi)口率提高具備完整量產(chǎn)技術(shù)高解析度高解析度光 學(xué)引 擎 結(jié) 構(gòu) 較 簡(jiǎn)易于輕型化可 利 用 半 導(dǎo)體 制 作單光利用率高大 幅 降 低 面板 生 產(chǎn)成本缺點(diǎn)散熱問(wèn)題亮度較低影像對(duì)比較

9、差光利用率低僅 ti 提供晶片組不利于輕型化開(kāi)口率低制作復(fù)雜、良率低較高光學(xué)元件成本動(dòng)態(tài)顯示受限由于 dlp 投影機(jī)不需要像 lcd 及 lcos 投影機(jī)中使用到復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)提升光使用的效率，因此產(chǎn)品擁有小型、 輕量化的特性， 在可攜式與超可攜式投影機(jī)市場(chǎng)上占有率較高。而 lcos(liquid crystal on silicon) 投影顯示是一種新型的反射式 lcd 微投影技術(shù)，與穿透式 lcd 相比， lcos 具有以下明顯的優(yōu)勢(shì) :開(kāi)口率高從而光能利用效率高，可以同時(shí)保證高清晰度與高亮度化 ;lcos 的尺寸一般為 .07 英寸或更小，可以降低系統(tǒng)的成本、物理尺寸以及重量。而且 l

10、cos 可以通過(guò)像素窄間距化來(lái)增加像素?cái)?shù)目，提高分辨率，是獲得高分辨率的理想途徑。2、正文2.1 、lcos 投影儀的基本結(jié)構(gòu)和原理lcos 的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示，帶有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet:metaloxide semiconductor field effect transistor) 矩陣的硅晶片基板與一透明玻璃基板之間插入液晶的構(gòu)造組成。 mosfet 驅(qū)動(dòng)電路在鋁反射鏡電極的背面，光閥的全部面積可以對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。 因此像素窄間距化、 增多像素?cái)?shù)目不會(huì)降低開(kāi)口率， 同時(shí)可以得到高清晰化與高亮度化。 目前 lcos 像素間距已經(jīng)微細(xì)化到 7.6unl ，像素?cái)?shù)達(dá)

11、到 sxga 也已經(jīng)產(chǎn)品化。.圖 2 反射型液晶光閥(lcos) 的基本元件構(gòu)造lcos 投影儀的基本結(jié)構(gòu)是由將光源發(fā)射的光束導(dǎo)向液晶光閥的照明光學(xué)系統(tǒng)，與將因液晶光閥形成圖像信息的光束放大投影到屏幕上的投影光學(xué)系統(tǒng)以及與光閥尺寸相當(dāng)?shù)钠窆夥蛛x器 (pbs:polarization beam splitter)。 pbs 會(huì)帶來(lái)重量增加及投影透鏡的后焦點(diǎn)變長(zhǎng)的問(wèn)題。 全彩色的投影儀可為單片光閥或三片光閥構(gòu)成，對(duì)應(yīng)投影儀分別被稱為單板式及三板式。單片式因裝置尺寸的小型化、成本低等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)用作廉價(jià)的民用。而三片式的有點(diǎn)在于畫(huà)質(zhì)與光輸出方面，因此用作專業(yè)及民用，成為現(xiàn)在投影儀的主流。三片式投影儀

12、的普通光學(xué)系統(tǒng)如圖3 所示。傳統(tǒng)的色分離合成光學(xué)系統(tǒng)與透過(guò)式液晶投影儀基本相同。三個(gè)偏光分離pbs 分別配置在紅綠藍(lán)的光閥前。s 偏振光被pbs 反射，用分色鏡 (dm) 分離初的紅綠藍(lán)各光束分別照射到對(duì)應(yīng)的光閥上。在各光閥分別形成與該顏色對(duì)應(yīng)的圖像， 由各光閥將入射s 偏振光調(diào)制成p 偏振光，通過(guò)pbs 后，由分色棱鏡(dp)進(jìn)行色合成再通過(guò)投影透鏡投影在屏幕上。此光學(xué)系統(tǒng)必須有三個(gè)用于紅綠藍(lán)光閥的pbs ，因此有裝置重量大，投影透鏡后焦點(diǎn)變長(zhǎng)，f 數(shù)變小，光利用效率降低等問(wèn)題。三色分解合成棱鏡 (color separation prism)，如圖 4 所示，光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)pbs 與飛利浦

13、型棱鏡組成。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化lcos 投影儀光學(xué)系統(tǒng)。.圖 3 三片式投影儀的普通光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)架圖 4 飛利浦棱鏡投影機(jī)構(gòu)架2.2 、投影儀各部分元件分析2.2.1、反光鏡普通的點(diǎn)光源用于投影系統(tǒng)中，通常用反射罩將光源四處發(fā)散的光收集以及聚焦到一個(gè)小點(diǎn)， 使得目標(biāo)點(diǎn)的亮度盡可能高。投影顯示系統(tǒng)光源都帶有收集光能的冷反光鏡，其主要類型有橢球形、拋物面型、和深錐橢球形。如圖，由三角形法則可知( r )2r 2s22rs cos()由清晰度可知r r s2 f所以r2 f1e cos11 e令 e 為焦點(diǎn)曲線的延長(zhǎng)線。當(dāng)為圓的時(shí)候， s=0,r=f ，如果焦點(diǎn) f1 移動(dòng)f1 ，則焦點(diǎn) f 2 移動(dòng)

14、f 2 =ef1 。當(dāng)為拋物線的時(shí)候， s2 f, r1 cos2.2.2、 uv-ir filter.由于發(fā)光本身的光譜特性，包含著紫外光以及紅外光，因此在光學(xué)系統(tǒng)部分里面，我們必須使用uv-irfilter 來(lái)阻絕此波段的光源。uv 光的害處是破壞液晶分子，脆化塑料元件。而 ir 光的害處是使光械內(nèi)部產(chǎn)生高熱，所以在光械里面使用uv-irfilter 可以有效阻絕這些危害。2.2.3、光管光管是投影儀中常用的光學(xué)器件， 它可以是實(shí)心的玻璃棒也可以是由內(nèi)鍍高反射膜的反射玻璃平板組成的中空玻璃棒。前者是利用幾何光學(xué)全內(nèi)反射的原理，在反射過(guò)程中沒(méi)有光能量的損失， 只有材料吸收影響效率， 另外在入

15、射光束角度較大的情況下，部分光線入射角太大，進(jìn)入光管后與管壁角度小于光管玻璃材料所對(duì)應(yīng)的臨界角，也會(huì)造成一定的光能損失。后者對(duì)光學(xué)效率的降低主要是由反射引起，另外鍍反射膜光管對(duì)輸入光束的角度沒(méi)有限定。然而其內(nèi)壁鍍膜增加了成本，因此實(shí)心的玻璃棒的應(yīng)用更為廣泛。為了減少光束的數(shù)值孔徑，我們使用的光管具有一定的錐度，可以將高數(shù)值孔徑的輸入光轉(zhuǎn)化為低數(shù)值孔徑的輸入光0.此外光管還可以根據(jù)lcos 面板的形狀和尺寸調(diào)整輸出光束的形狀尺寸，同時(shí)提高了照明的均勻度。如圖 5 所示，由于光管有一定的錐度為占度，被反射的光線的角度相對(duì)于反射前角度變小了一些， 光線角度的改變?yōu)楣夤苠F度的兩倍2 占度，當(dāng)光線的角度

16、減小到小于占度時(shí)，光線不會(huì)與光管內(nèi)側(cè)相交，而直接由光管輸出面射出。如果錐形光管的錐度非常小，而光線在錐形光管中無(wú)數(shù)次反射，最終會(huì)使得光線角度減小到零。 然而這樣要求錐形光管的長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng)，顯然是不符合實(shí)際情況的。通常光管長(zhǎng)度是有限，并且光管錐度有一定的大小。圖 5 錐形光管示意圖2.2.4、 復(fù)眼透鏡陣列2.2.4.1 復(fù)眼透鏡陣列實(shí)現(xiàn)均勻照明的原理復(fù)眼透鏡又叫蠅眼透鏡或魚(yú)眼透鏡，是實(shí)現(xiàn)均勻照明常用的方法。復(fù)眼透鏡陣列要實(shí)現(xiàn)均勻照明需兩列復(fù)眼透鏡平行排列，第一列復(fù)眼透鏡陣列中的各個(gè)小單元透鏡的焦點(diǎn)與第二列的復(fù)眼透鏡陣列中對(duì)應(yīng)的小單元透鏡的中心重合，兩列復(fù)眼透鏡的光軸相互平行，在第二列復(fù)眼透鏡后放

17、置聚光鏡，聚光鏡的焦平面放照明屏就形成了均勻照明系統(tǒng)，如圖所示。.圖 6 復(fù)眼透鏡陣列敷衍透鏡均勻照明的原理是：與光軸平行的光束通過(guò)第一塊透鏡后聚焦在第二塊透鏡的中心處， 第一排復(fù)眼透鏡將光源形成多個(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，從而使整個(gè)孔徑內(nèi)的光能得到有效均勻利用。從第二排復(fù)眼透鏡出射的光線通過(guò)聚光鏡聚焦在照明屏上，這樣，照明屏上的光斑的每一點(diǎn)均受到光源所發(fā)出的光線照射， 同時(shí)

18、，光源上的每一點(diǎn)發(fā)出的光束又都會(huì)重疊到照明光斑上的同一視場(chǎng)范圍內(nèi)，所以得到一個(gè)均勻的矩形光斑。2.2.4.2 復(fù)眼透鏡列陣數(shù)對(duì)均勻照明的影響通過(guò)對(duì) 85 的復(fù)眼透鏡列陣模擬得到的照明效果，和在其他條件不變，減小復(fù)眼透鏡陣列的每個(gè)小單元的尺寸，采用16 10 陣列的復(fù)眼透鏡模擬的照明效果我們得出：復(fù)眼透鏡陣列數(shù)增加后，照明光更加集中，光斑亮度更高。 但在聚光鏡焦距不變的情況下照明面積卻變小了。 這是因?yàn)樵黾訌?fù)眼透鏡陣列列數(shù)、減小每個(gè)單元的尺寸時(shí)，復(fù)眼透鏡的每個(gè)小單元將光源的光束分得更細(xì)，增大了入社到照明屏上光束的發(fā)散角。根據(jù)理想照明系統(tǒng)中展度守恒的原則，展度，其中， as 是發(fā)光面積，是發(fā)散角，

19、可知當(dāng)光斑的發(fā)散角增大時(shí)，照明面積會(huì)減小，光斑更加集中，亮度更高。此時(shí)可通過(guò)增加聚光鏡的焦距f 來(lái)保證均勻照明的面積， 但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻因此變得不太緊湊。 因此，應(yīng)使照明效果的改善和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊達(dá)到平衡。2.2.4.3 入射光束的發(fā)散角對(duì)照明效果的影響當(dāng)發(fā)散角較小時(shí)系統(tǒng)光路圖如圖7 所示。圖 7發(fā)散角較小時(shí)的系統(tǒng)光路圖光線通過(guò)第一列復(fù)眼透鏡陣列后，偏離了第二列復(fù)眼透鏡單元的中心，但沒(méi)有完全偏離對(duì)應(yīng)的透鏡小單元。這時(shí)由于焦平面上同一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)透鏡后，將平行射出， 因此這與平行光軸的平行光通過(guò)第二列復(fù)眼透鏡列陣后出射的光線方向一，將照射到相同的區(qū)域，不產(chǎn)生旁瓣。 當(dāng)入射到第一列復(fù)眼透鏡陣列的

20、光束發(fā)散致角很大時(shí)，得到的照明效果圖中中央的照明光斑亮度低，輪廓不清晰，且有旁瓣。這是因?yàn)榘l(fā)散角大到一定程度時(shí)，從第一列.復(fù)眼透鏡陣列射出的光線，可能完全偏離第二列復(fù)眼透鏡的對(duì)應(yīng)單元。此時(shí)從第二列復(fù)眼透鏡陣列出射的光線，將與平行光軸出射的平行光線不同，其照明光斑將偏離中央照明區(qū)域?？梢?jiàn)， 光源發(fā)散角對(duì)照明效果將造成嚴(yán)重的影響，當(dāng)發(fā)散角較小時(shí)，復(fù)眼透鏡陣列可以予以校正， 如果發(fā)散角較大時(shí)，照明光斑會(huì)出現(xiàn)旁瓣，甚至出現(xiàn)完全分開(kāi)的照明光斑，極大的降低了中央照明光斑的亮度和光源的利用率。需要利用準(zhǔn)直系統(tǒng)將光源的發(fā)散角減小，使其近似平行的入射到復(fù)眼透鏡陣列上，減小旁瓣，提高光能利用率。2.3 、參數(shù)計(jì)算

21、2.3.1、焦距比 f 決定了照度和通過(guò)系統(tǒng)的流量有效焦距 ff#直徑 df對(duì)于無(wú)限遠(yuǎn) f#d對(duì)于近距離物體 f#f (1m ) 。其中 m 為放大率， m p 瞳孔比。dm p2.3.2、對(duì)于復(fù)眼透鏡陣列系統(tǒng)aw f b由類似的三角關(guān)系可知，系統(tǒng)的焦距比數(shù)關(guān)系f#f af b.2.3.3、 pbs 分光棱鏡偏振分光棱鏡能把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏光。其中 p 偏光完全通過(guò)， 而 s偏光以 45 度角被反射，出射方向與p 光成 90 度角。此偏振分光棱鏡由一對(duì)高精度直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜。在 lcd 或 lcos 投影機(jī)中要用到偏振光分光器（pbs）與

22、偏振光轉(zhuǎn)換器（pcs）,利用這種器件可以產(chǎn)生偏振光,提高光的利用率。根據(jù)物理光學(xué)原理,在不同介質(zhì)界面處光線會(huì)發(fā)生反射和折射 ,從而得到振動(dòng)方向相互垂直的s 偏振光和p 偏振光。在玻璃表面鍍有多層不同介質(zhì)的薄膜,可使光線在每層界面處均發(fā)生反射和折射,以得到消光比很高的偏振光,這種器件就是 pbs。利用 1/2 波片改變偏振態(tài)的原理,可加工成pcs。pbs 的尺寸如果太大會(huì)浪費(fèi)材料，增加系統(tǒng)的體積和重量，且使投影透鏡的后焦點(diǎn)變長(zhǎng)，如果 pbs 的尺寸太小又會(huì)使得一部分滿足系統(tǒng)投影鏡頭f 數(shù)的光線無(wú)法通過(guò)，造成光通量的浪費(fèi)。 lcos 光閥的對(duì)角線尺寸為0.47inch=12mm按 543 的比例，

23、我們有l(wèi)cos 光閥的邊長(zhǎng)尺寸為9.6mm*7.2mmpbs 棱鏡由兩個(gè)直角棱鏡結(jié)合，棱鏡材料為肖特玻璃sf6，折射率為n=1.81264系統(tǒng) f#數(shù)為 1.7tan u121.711tan u tan un6這樣光線在玻璃里的走向比1/62x126x, x3因此 pbs 的邊長(zhǎng)取為18rnm。.2.3.4、照明系統(tǒng)的f 參數(shù)由 a=2b, 可得 adf a，所以 f bw ffdffbw #9.657d.3、系統(tǒng)模擬在此，筆者曾用多種軟件嘗試過(guò)系統(tǒng)模擬的辦法，如：zemax、 tracepro、 light tools 、opricalworks. 但都由于下載、安裝、使用等問(wèn)題無(wú)法達(dá)到理想

24、的效果。最終，筆者在tracepro 下建立如下模型由于時(shí)間關(guān)系，這只是整個(gè)照明系統(tǒng)的前面部分pbs 和 lcd 以及鏡頭部分沒(méi)有再做模擬。下面兩圖分別為對(duì)反光碗口處照度和錐形光管出口處的光照度分析。.對(duì)于所得結(jié)果的具體分析，由于知識(shí)有限，還不能給予具體的結(jié)論。而且感覺(jué)建模也不盡如人意，希望老師諒解。4、總結(jié)在科學(xué)技術(shù)尤其是信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人類需要感知的信息量越來(lái)越大，而視覺(jué)是人類感知信息的最主要途徑和手段，人類獲知信息的60%來(lái)自視覺(jué)，由此可見(jiàn)，顯示技術(shù)對(duì)于充分發(fā)揮人類的視覺(jué)功能，擴(kuò)大人類的感知信息量，加速信息的傳輸與感知都具有十分重要的意義。 隨著 lcos 技術(shù)的成熟， lcos 微型投影儀具有良好的發(fā)展前景，它的便攜、廉價(jià)為人們?nèi)粘５纳缃簧顜?lái)了越來(lái)越多的便利。投影系統(tǒng)逐漸微型化使得照明系在投影系統(tǒng)中的重要性越來(lái)越大，從而對(duì)投影儀所用光源也提出了更高的要求，光強(qiáng)大， 發(fā)光面積小且光學(xué)擴(kuò)展量 (etendue)小，而 lcos 光閥面積尺寸很小，要求大量的光能夠均勻的通過(guò)一個(gè)很小的面積。本文對(duì)于 lcos 微型投影儀的照明系統(tǒng)的研究工作正是基于這樣的需求展開(kāi)。本論文