投影顯示照明光學的理論和實驗研究.pdf

1、當今科技的日益興盛，越來越多與光學相關(guān)的新技術(shù)和新應(yīng)用開始需要照明光學來為其提供支持，例如半導體光刻、背光和投影顯示技術(shù)等等。這些技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用，遭遇了照明光學的最基本問題，即如何高效率地獲得一個具有預期性能的照明光斑。在投影顯示中，由于顯示芯片都為4：3或16：9的矩形，因此照明光學在投影顯示照明設(shè)計中的基本命題歸結(jié)為：如何高效率地獲得一個矩形的均勻光斑。 照明光學近年來逐漸受到廣泛關(guān)注的一門古老學科，它的特點是研究內(nèi)容包羅萬

2、象，但設(shè)計理論的系統(tǒng)性不強。它包容傳統(tǒng)的成像概念，又有別于成像光學，屬于非成像光學范疇。因此本文通過對非成像光學研究，試圖以更寬廣的視角回答投影顯示照明光學設(shè)計的基本問題，歸納其內(nèi)在規(guī)律，并試圖提出新思路以應(yīng)對投影顯示小型化的發(fā)展趨勢。 本文首先回顧了非成像光學理論的基本內(nèi)容，并說明與成像光學的不同之處，然后在深入調(diào)研各種非成像光學器件的基礎(chǔ)上提出實現(xiàn)矩形光斑均勻照明分布的兩種方法——重疊(superposition)和剪裁(t

3、ailoring)。并由此得出——現(xiàn)階段投影顯示系統(tǒng)的照明設(shè)計其實都圍繞“重疊”這種方法——的事實。三片式LCD系統(tǒng)中采用了光束空間疊加的方法，而DLP系統(tǒng)則運用了光束的角域疊加方式。這既是投影照明系統(tǒng)的演變歷史決定，又是實際工程化的選擇。 本文第二部分針對重疊方法，選擇了最具代表性的雙排復眼照明系統(tǒng)作為研究對象。為了深入研究該系統(tǒng)的特點，首先建立了光源lumens-étendue模型，并通過該模型指出發(fā)光弧長越短，單位光學擴展

4、量下光源能量輸出效率越高的特點。其次建立了雙排復眼照明系統(tǒng)的étendue模型，并以該模型分析復眼與光源，與顯示芯片的擴展量匹配能力及能量傳遞效率。然后借助光源模型推得復眼上的照明光束的lumens-étendue模型，并以此研究了復眼空域疊加的工作方式——不同行列數(shù)的復眼結(jié)構(gòu)引入的光束分割方式和分割數(shù)目對照明均勻性的影響，說明存在一個最佳值用以平衡性能及工藝的矛盾。再次，考慮到復眼照明系統(tǒng)的孔闌離散性的特點，建立投影物鏡離散入瞳模型，

5、研究了該特性對投影物鏡MTF的影響。結(jié)果表明，入瞳的這種離散性造成Zemax等光學軟件設(shè)計高分辨率投影物鏡時MTF值被低估，給未來的成像鏡頭設(shè)計予以有益的指導。最后，在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制造了一臺高亮度三片式LCD投影顯示系統(tǒng)，給出了雙排復眼照明系統(tǒng)及變焦投影物鏡的設(shè)計結(jié)果。該系統(tǒng)能量利用率約為17％，輸出亮度達到3119流明(Lumens)。屏幕均勻度在93％以上。項目經(jīng)過鑒定會專家鑒定，一致認為達到了國際先進水平。 為

6、了順應(yīng)投影顯示的小型化發(fā)展及高亮度LED的運用，本文第三部分基于空域疊加的方法，提出并設(shè)計了一種新穎的反射式復眼照明系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)設(shè)計方法的討論和軟件模擬，證明該系統(tǒng)以提高器件工藝復雜度為代價有效縮減了系統(tǒng)尺寸，同時維持良好的光學性能。 “剪裁”方法給了投影顯示照明系統(tǒng)設(shè)計的新思路。本文最后部分通過推導聯(lián)系光源發(fā)光特性和被照明面照度分布的二次非線性偏微分方程，詳細研究了逆向設(shè)計三維自由曲面反光碗的算法，并分析了該算法的適用條件