激光照明信息显示与技术课程设计..

理工大学信息显示与技术课程设计

目录

1引言 ......................................................................................................................................... 2 1.1 研究背景 ......................................................................................................................... 2 1.2 投影显示技术发展现状 ................................................................................................. 3 2 投影显示照明系统 ................................................................................................................ 4 2.1 照明系统 ......................................................................................................................... 4 2.2 光学扩展量 ..................................................................................................................... 4 2,3单片式DLP投影光学引擎的基本结构和工作原理 ...................................................... 4 2.4复眼照明系统及工作原理DLP照度均匀度及光斑图 .................................................. 5 2.5 方棒照明系统的工作原理 ............................................................................................. 6 3 激光显示照明系统的设计方法 ............................................................................................ 7 3.1系统光源 .......................................................................................................................... 7 3.2 积分方棒 ......................................................................................................................... 7 3.3 中继透镜 ......................................................................................................................... 8 4 照明系统的设计与仿真 ...................................................................................................... 9 4.1系统的设计 ...................................................................................................................... 9 4.2设定系统光源 .................................................................................................................. 9 4.3 方棒的尺寸确定 ........................................................................................................... 10 4.4中继透镜设计 ................................................................................................................ 14 4.5系统的仿真分析 ............................................................................................................ 15 5总结 ....................................................................................................................................... 18 参考文献 .................................................................................................................................. 19

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1引言

传统光源属于泛光光源，光学发散角大，不利于照明系统的能量传输。与灯泡光源和LED光源完全不同,激光具有优越的空间传输特性，亮度极高，在很小的芯片上可以实现很高的光能利用效率，这样便可实现高画质的大屏幕及超大屏幕投影显示，无需更换光源（免维护）、保持长久高画质、亮度及色温随时可调、实现超高亮度、适应各种工程投影环境、实现无噪音投影环境等特点，如此这些，将导致显示系统综合性能的革命提升，这些特性无疑赋予了激光显示技术在高端应用尤其是高端大屏幕显示市场的广阔发展空间。 1.1 研究背景

显示技术可以分为直接显示与投影显示两类。直接显示技术主要包括阴极射线管(CRT)、液晶平板显示(LCD)、发光二极管(LED)、电致发光器件(EL)、场致发光器件(FED)、真空荧光显示(VFD)、等离子体显示(PDP)等。大屏幕显示系统是当前显示技术发展的一个主要方向，在军事、模拟及训练、会议、教育、大型公共场所等场合有日益广泛的应用， 现代大屏幕显示系统因其应用范围广、技术难度大以及系统复杂而受到众多厂商及科技人员的关注，现已成为显示领域内的研究热点。从显示原理和技术的角度来看，现在较为成熟和商用化的大屏幕显示技术主要有液晶显示技术、等离子显示技术和投影显示技术。

投影显示技术是实现大屏幕显示系统的一种有效途径，投影显示是将显示器件产生的图像经过光学系统投射到屏幕上产生图像的显示方式。根据显示器件形成图像的方式，投影显示可以分为发光型投影显示和调制型投影显示两类。发光型投影显示是指在显示器件上直接形成高亮度的图像，再由光学系统成像在屏幕上观看的显示方式，如CRT投影显示和激光投影显示两类。调制型投影显示，显示器件本身不发光，而是根据输入信号改变显示媒质的某些电光特性，如反射率、投射率、折射率、双折射效应、散射等，经外加光源照射，将显示器件上的信息转变为图像经光学系统读出并投影在屏幕上。主要包括LCD、LCLV(液晶光阀)、LCoS、DLP等各种投影显示技术。调制型投影显示系统通常由光源、照明光学系统、空间光调制器、驱动电路系统和成像光学系统等部分组成。

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按照投影机、观察者与屏幕的相对位置关系，投影显示系统可以分为正投影系统和背投影系统两类。前投是指投影机和观察者位于屏幕的同一侧的投影系统，其特点是体积、重量小，亮度高，广泛应用于会议、家庭影院、数字影院、多媒体教室等场合。但图像效果容易受环境光的影响。前投市场的主要产品LCD投影机，但近年来随着DLP技术州的成熟，DLP投影产品所占有的市场份额迅速上升。相比于LCD投影技术，DLP前投系统在小型化和光学稳定性上更其优势。

整个投影显示市场可以分为消费产品、商务应用产品、大型公共场合应用产品、小型公共场合应用产品和高端应用产品等五个主要应用领域。 1.2 投影显示技术发展现状

七大DLP光学引擎制造商：明基BenQ，美国德州仪器（TI）公司、日本普乐士、惠普、奥图码、大恒公司（中国自主研发）。

LCOS光学引擎：日本CHINONTEC，昂纳明达、Philips、ZEISS、韩国KTS。 LCD：主要是精工爱普生和SONY。

投影显示市场拥有每年上百亿美元的产值，并且未来几年里，投影显示技术的市场将继续高速增长。随着数字高清电视的普及，家庭消费产品将成为投影显示市场的主力。传统的CRT投影技术将逐渐被日趋成熟的LCD／DLP／LCoS投影显示技术所取代，投影显示市场的争夺也将逐渐从LCD、DLP等技术与CRT技术问的竞争向液晶投影技术与DLP投影技术间的竞争转变。

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2 投影显示照明系统

2．1 照明系统

照明系统是将光能从光源传递到空间光调制器件的桥梁。照明系统的设计，一方面要考虑显示器件对整个系统光学扩展量的限制，另一方面需要考虑光源的空间光强分布对能量利用率的影响，力图在限定的扩展量范围内获得最佳的输出光通量。

投影显示系统需要在大面积范围内获得高质量的图像显示，因而要求光学系统必须满足高的光能输出和充分均匀的照明的要求。

复眼和方棒是目前最为常用的两种照明系统，其基本原理都是将单一的光源成像为二维的光源阵列，并将光源阵列的像叠加，以实现高均匀性的照明光斑。照明成像系统将照明光会聚在空间光调制器上，通常采用柯拉照明的形式，将光能分布均匀的前段照明系统的光阑成像在显示器件上，如复眼照明系统中的第一组复眼透镜和方棒照明系统中的方棒出射端，从而满足系统对均匀性的要求。 2.2 光学扩展量

光学扩展量是非成像光学理论中的重要概念，用于描述具有一定孔径角和截面积的光束的几何特性。其定义如式2-1所示：

2 Etendue?n??cos???dAd? （2-1）

式中?为面积dA与立体角d ?的中心轴之间的夹角。由上式可见，光束的扩展量实际上是光束所通过截面积与光束所占据的空间立体角的积分。

系统光学扩展量越大，表示系统允许通过的光束越大，系统传输光能的能力越强。 2,3单片式DLP投影光学引擎的基本结构和工作原理

单片式DLP投影系统光学引擎包括照明系统、分色合色系统以及投影系统 三部分，它的基本结构如图所示。

图2.1 单片式DLP投影光学引擎的基本结构

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照明系统由光源和反光碗(Lamp and reflector)、积分方棒(Integrator rod)、中继系统(Relay system)构成。光源一般采用超高压水银灯，它通过灯弧间高压放电产生白光。反光碗是旋转椭球面的一部分，当灯弧置于椭球面的一个焦点时，经过反光碗的反射，灯弧会在另一个焦点处成像。而积分方棒就置于这个焦点的附近，它起到的作用是匀光。之后中继系统把方棒的出射端面成像至DMD芯片的表面，就实现了对DMD微镜阵列的均匀照明了。由于DMD器件对调制光的偏振态没有要求，所以整个照明系统当中无需使用偏振元件，系统复杂程度也低于LCD投影系统。

单片式DLP光学引擎的分色合色系统其核心是一个色轮，它通常位于积分方棒的前面，表面有红绿蓝基色滤色片，并能利用马达高速旋转。当反光碗把光源的光会聚到方棒端面时，白光经过旋转的色轮滤色片后变为红绿蓝三种基色光，经过积分方棒匀光后又依次均匀照射到了DMD表面上，而DMD根据显示信号对依次照明的基色光进行同步调制，就能通过投影物镜在屏幕上实现红绿蓝基色图像的显示，若基色图像的变换速度足够快以致人眼无法分辨时，人眼就会产生视觉暂留效应，看到的就是彩色的图像。

投影系统主要是由全内反射棱镜和投影物组成的。TIR棱镜由两块棱镜构成，之间留有空气间隙，如图所示。当光线从一端入射时，在紧邻空气间隙的表面发生全内反射照射到DMD表面，在被DMD表面的微镜阵列反射后再次到达该表面时，光线将不满足全内反射条件产生折射，最终射入投影物镜或者被吸收掉。这样TIR棱镜就把入射的照明光束和出射的投影光束完全分离开来，减少了照明系统中的杂散光干扰，提高了显示对比度。

投影物镜负责将DMD调制后的光线投射到屏幕上，通常采用反远距的结构形式。 2.4复眼照明系统及工作原理DLP照度均匀度及光斑图

复眼照明系统是投影显示系统中常见的一种照明结构，能够将光源发出的圆形光斑转换为显示器件需要的矩形光斑，同时还可以有效的提高系统的照明均匀性。图2给出了复眼照明系统的基本结构。图3给出了实际的复眼透镜的阵列结构。其工作原理是：发光电弧位于抛物碗的焦点上，发出的光线经冷抛物反光碗反射后成为近准直光束，投射在第一组复眼透镜上，并由第一组复眼的小透镜会聚成像在第二块复眼透镜上，从而将一个光源分成多个光源。第二组复眼透镜位于第一组复眼透镜的焦平面上，它的每个小透镜将前排复眼对应的小透镜重叠成像于无穷远，然后由后继照明透镜组成像于空间

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光调制器的表面上。准直透镜同时又把第二排复眼透镜(第一排复眼所成的多个光源像)成像在投影物镜的出瞳处(无穷远处)，从而形成柯拉照明结构。由于光源的整个光束被分为多个细光束照明，每个细光束的均匀性优于整个宽光束的均匀性，而且对称位置上的细光束光斑相互叠加，进一步补偿了细光束的不均匀性，因而采用双组复眼透镜的系统可以获得良好的照明均匀度。

图 2.2 复眼照明系统的基本结构

图 2.3 复眼透镜的基本结构

为充分发挥透镜阵列的作用，需要选择适当的复眼透镜结构参数，包括透镜口径、小透镜的焦距和数值孔径、以及复眼的行列数。 2.5 方棒照明系统的工作原理

方棒是另一种常用的将光源输出的圆形光斑转化为液晶板所需要的矩形照明光斑，通常方棒位于椭球反光碗的第二焦点上，其截面长宽比与液晶板的长宽比相等。光线进入方棒后，经过多次反射从另一端面出射，在出射面上形成照明均匀的矩形光斑。图4给出了方棒器件的工作原理。

图 2.4 光线在方棒内的多次反射

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3 激光显示照明系统的设计方法

传统的单片式DLP光学引擎照明系统由弧光灯光源和反光碗、积分方棒、中继系统构成，这里我们采用激光光源，耦合透镜，积分方棒，中继透镜。激光光源是一种理想的光源，目前技术正日益成熟。

LED光源是目前微型光引擎中主要的光源，半导体激光（LD）光源是另一种讨论的较多的光源。对比LED光源，其在普通照明，汽车照明，LCD显示等方面都有大量的市场需求，我们需要设计基于单片DMD的激光显示照明系统，激光发散角12.7度；DMD尺寸16×11.38cm。通过光学设计软件仿真得出照明系统的特性，如照明均匀度、光能利用率、照明光束的数值孔径等。 3．1 系统光源

由于激光光源具有单波长，准直，偏振输出等优点，相比于传统光源,色彩表达力强、功耗低、寿命长, 无需更换光源（免维护）、保持长久高画质、亮度及色温随时可调、实现超高亮度、适应各种工程投影环境、实现无噪音投影环境等特点。 3.2 积分方棒

积分方棒一般是实心玻璃棒或者中空的玻璃棒，前者利用全内反射原理，后者则是在中空内壁镀有反射膜，这样光线进入方棒后经过多次反射就能实现匀光的目的。其截面长宽比与DMD芯片的长宽比相等。光线进入方棒后，经过多次反射从另一端面出射，在出射面上形成照明均匀的矩形光斑。

图3.1 积分方棒原理示意图

光源发出的光能经过方棒多次反射后均匀分布在方棒的出射端，但由于光学系统结

构和方棒尺寸的限制，通常无法直接将方棒的处射面直接置于空间光调制器的表面上，

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因而在方棒后面需要引入额外的中继透镜组，将方棒的出射面成像在至DMD芯片表面，使DMD表面形成亮度均匀的照明光斑。中继系统必须具有较高的光能利用率，但它对像差的要求并不是很严格，只需进行简单的像差校正以保证照明均匀性不被破坏即可。照明透镜组需要满足光源／方棒与显示器件／投影物镜之间光学扩展量的匹配，从而保证系统的能量利用率，同时照明镜组的结构也要考虑光学系统和机构的要求。

图 3.2 照明系统结构图

3.3 中继透镜

要通过中继透镜组将方棒出射端成像在DMD器件表面，方棒通常具有与DMD相同或接近的长宽比。照明镜组的放大率等于空间光调制器与方棒出射端尺寸之比，不仅要求尽量减少透镜的数量，而且还要考虑光路转折、各种棱镜等对光路的影响。方棒照明系统的设计，可以从简单的4F式光路结构出发，如图所示。

图 3.3 4F成像系统的基本结构

4F系统中方棒的出射端和空间光调制器分别位于第一块透镜的物方焦平面和第二块透镜的像方焦平面上，两块透镜焦距之比就是系统的放大率，即：M?f2'/f1'根据照明系统对机械结构的要求，就可以得到两块透镜的焦距，从而得到照明光路的初始结构。但是两片球面透镜的结构无法满足系统对像差的要求，可以在此基础上通过增加新的透镜或是采用非球面透镜实现像差的校正。通常，采用3到4片透镜的照明光路可以较好的满足系统对照明光斑质量的要求。

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4 照明系统的设计与仿真

4.1 系统的设计

空间光调制器(DLP)的光学扩展量

本设计DLP尺寸为长16mm宽11.38mm，DMD器件的反射镜转动角度达到了±12。 方棒照明系统的像高和像方数值孔径或F数由DMD芯片决定。对于微反射镜偏转角度为

?的DMD器件，照明光束的F／#由下式决定：

F/#?1

2nsin? （4.1）

其中n为芯片空气的折射率，nsin?为照明光束的数值孔径NA=sin12.7=0.22。 当?为12度时，可得F／#=2.4。也即，照明光束的孔径角最大为?12。 根据公式Etendue=n??24.8mm2?steradian。 入射光管的光学扩展量

设入射光管的光斑尺寸为R＝1.25mm，则光管入射处光学扩展量为：

22Ee?A????2Rsin?max2n2?Acos???dAd??2计算该空间光调制器的光学扩展量为：

4F???1.25?22sin(1?2.7)2 （4.2）

0.75mmsteradian2系统光源的发散角12.7°，方棒长宽高分别为4mm,3mm,25mm, DLP最大孔径角?12。 4.2 设定系统光源

我们用软件zemax进行系统设计，首先激光光源设定为二极管。

图4.1 设定光源为二极管光源

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图 4.2 光源的波长 4.3 方棒的尺寸确定

本设计DLP尺寸为长16mm、宽11.38mm（约4：3），DMD器件的反射镜转动角度±12°；光源为高斯分布光束，功率100W；根据DLP的尺寸要求，方棒截面选择4×3mm。

图 4.3 设定方棒材料尺寸

方棒长度增加，能够增加照明的均匀性，但并不是越长对均匀性的效果越明显，当达到一定长度时，均匀性随长度改变不明显。

下面是针对截面为4×3mm方棒的不同长度均匀性的软件模拟结果。

图 4.4 探测器控制面

设光管截面为4×3mm，不同长度输出端的均匀度如下。

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1、长度5mm

图4.5 长度5mm输出端光斑和光能分布

2、长度10mm

图4.6 长度10mm输出端光斑和光能分布

3、长度17mm

图4.7 长度17mm输出端光斑和光能分布

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4、长度22mm

图4.8 长度22mm输出端光斑和光能分布

5、长度27mm

图4.9 长度27mm输出端光斑和光能分布

6、长度33mm

图4.10 长度33mm输出端光斑和光能分布

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7、长度43mm

图4.11 长度43.5mm输出端光斑和光能分布

根据模拟，光管长度达到25mm后，随着长度的增加均匀度改善并不明显。且长度的增加，不利于光能利用。因此，选择截面尺寸4mm*3mm，长度25mm的光管。均匀度效果如下。可以看到，光斑输出形状和照度均匀度较好。

图 4.12 长度25mm光管出射端光斑 图4.13 长度25mm光管出射端X方向均匀度

图4.14 长度25mm光管出射端Y方向均匀度

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4.4 中继透镜设计

在这里我们用4F系统设计中继透镜，DLP尺寸为长16mm宽11.38mm，方棒长宽高分别为4mm,3mm,25mm,照明镜组的放大率等于空间光调制器与方棒出射端尺寸之比， M=M?f2'/f1'。中继系统两个透镜的焦距分别为10mm,40mm。 首先是焦距40mm的透镜，zemax设计如下：

图 4.15 透镜的编辑

图 4.16 透镜优化

图 4.17 3D外形图

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下面是焦距10mm透镜的设计过程：

图 4.18 透镜参数和评价函数

图 4.19 透镜的外形图和特性曲线 4.5 系统的仿真分析：

图 4.20 系统的参数

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图 4.21 系统的3D 外形图

4.5.1 光管出射光斑及光学扩展量

图 4.22光管出射端光斑及尺寸

图 4.23出射端光均匀度

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光管出射端光学扩展量为

Eo??whsin2?max???4?3?sin12.7?1.82mmsteradian4.5.2 DLP上光斑及均匀性

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经光管进行光斑转换及中继光学系统后，DLP上光亮度如图：

图4.24 DLP上光斑及照度

图4.25 X、Y方向的照度均匀性

由上图可以看到，在DLP上的照明尺寸略微偏小，但照明均匀性较好。DLP上光通量为70.9lm,幅通量70.9W，光源功率100W,系统的能量利用率为70.9%。

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5总结

视觉是人类获取外界信息的主要手段。随着科学技术的迅猛发展和信息的爆炸式增长，显示技术对提高人们的信息获取和处理能力有着非常重要的作用，而人们对显示系统的亮度、分辨率化也有着越来越高的要求。投影显示，是迄今实现大屏幕显示的最为理想的方案，随着微型空间光调制器技术和光学技术的发展，投影显示系统在大屏幕显示的图像亮度、分辨率、清晰度、以及图像对比度、色彩、稳定性、寿命等方面的性能得到不断提高，多媒体和数字化功能不断丰富，体积、重量和成本则不断降低，在众多场合具有日益广阔的应用前景。

光学系统是投影显示系统主要组成部分之一，对整个系统的能量利用率、照明均匀性、对比度、分辨率、色彩等性能都有着重要的影响。投影显示产品的不断更新换代，对提高系统的亮度、对比度等光学性能提出了很高的要求。

本文通过了解各种光学引擎的现状，分析光调制器和照明系统的原理，对复眼和方棒两种常见的投影照明光学系统的原理和设计方法进行了详细的讨论，采用ZEMAX光学设计软件，并以光学扩展量为依据，结合光源的空间光强分布，设计以激光为光源的投影机光学引擎的照明系统，获得了最终的设计结果。

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参考文献

[1]应根裕，胡文波，邱勇等.平板显示技术.人民邮电出版社

[2]王天及，杨世宁，李耀堂．现代显示技术的进展．光电子技术与信息

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