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1、工程光学课程设计投影仪照明光学系统设计2011-5-31电子科技大学08级英才1班作者：罗小嘉 2801305018 周浩 2801304029 皮秀敏 2801306016任课教师：严高师 摘 要本文就现在市场上的投影仪情况进行简单分析、对比，并具体对LCOS的照明系统各部分结构进行较为具体的研究讨论。在这篇文章中，由工程光学的研究角度，由投影仪的基本原理入手，通过对个部分的建模和仿真，探寻一种合理的能提高屏幕亮度，照度均匀性的方法。由于时间有限，很多地方都并没有分析得很清楚。当然，这一定程度上是因为投影仪的照明系统本身就是一个比较大的问题。国内外都有对此进行研究，希望能更好的提高光利用率以
2、及成像质量。国内的投影仪技术还相对较为落后。而日本则在这方面走在世界前列。而笔者在此也表示没有达到自己所期望的目标，以后如果有机会，将继续对这个问题进行了解、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 engine
3、ering 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 dont analysis very clearly. How
4、ever, 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 auth
5、or 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. 目录1、引言31.1、历史背景31.2、投影仪市场现状分析32、正文42.1、LCOS投影仪的基本结构和原理42.2、投影仪各部分元件分析62.2.1、反光镜62.2.3、光管72.2.4、 复眼透镜阵列72.3、参数计算92.3.1、焦距比F决定了照度和通过系统的流量92.3.2、对于复眼透镜阵列系统92
6、.3.3、PBS分光棱镜102.3.4、照明系统的F参数113、系统模拟124、总结13参考文献：141、引言1.1、历史背景在会议中或者视听教学场所，演说者为了把自己的意思表达给全体观众，常常将演说内容制作成投影片或者幻灯片，利用投影仪将资料投影到屏幕上，使得观众能清的了解演说者要表达的讯息。公元1839年法国人奥古斯特发明了幻灯机，其结构如图1所示。他将文字或图片制作成幻灯片，利用幻灯机的光学系统将幻灯片上的影响投射到屏幕上。成为历史上第一台静止图像的投影仪。由于其体积小携带方便，至今仍广泛使用。 图 1随着近年来投影显示迅速发展，投影机的应用范围不断扩大，已经开始从教育等专业市场逐步向家
7、庭，娱乐等新兴市场转移，为了适应市场发展的需要，开发低成本、性能适中、工艺简单的小型投影仪已成为必然趋势。1.2、投影仪市场现状分析对于投影仪的评价目前主要从三个方面进行：1) 屏幕上的亮度：单纯依靠改变光源自身功率来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，减少光学组件能量损耗和加装微透镜等技术手段来提高亮度。2) 屏幕上照明均匀性：在投影仪的照明系统设计中通常采用两种器件来实现照明均匀化目的，一是采用成像元件一透镜阵列，另一种是非成像元件一积分光管，比较这两种器件实现照明均匀他的原理，透镜阵列的加工和设计过程过于复杂并且成本高，而积分光管是通过使光线进入其内部后经多次反射后，
8、实现在光管的末端形成均匀的照明的目的，具有结构简单紧凑，造价低廉，高效率等特点。3) 由投影仪投影镜头确定的像质评价。本文着重讨论的是投影仪照明系统设计，主要从前两个因素来考虑完善投影仪照明系统的设计。目前市场上仍以LCD、DLP与LCOS三类投影机为主。我们对三种投影机的优缺点做一个比较，整理如下表分项穿透式LCD反射式DLP反射式LCOS优点制作技术较完整具备完整量产技术光学引擎结构较简单高对比度高解析度易于轻型化光利用率高开口率提高高解析度可利用半导体制作大幅降低面板生产成本缺点散热问题光利用率低开口率低动态显示受限亮度较低仅TI提供晶片组制作复杂、良率低影像对比较差不利于轻型化较高光学
9、元件成本由于DLP投影机不需要像LCD及LCOS投影机中使用到复杂的光学系统来提升光使用的效率，因此产品拥有小型、轻量化的特性，在可携式与超可携式投影机市场上占有率较高。而LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影显示是一种新型的反射式LCD微投影技术，与穿透式LCD相比，LCOS具有以下明显的优势:开口率高从而光能利用效率高，可以同时保证高清晰度与高亮度化;LCOS的尺寸一般为.07英寸或更小，可以降低系统的成本、物理尺寸以及重量。而且LCOS可以通过像素窄间距化来增加像素数目，提高分辨率，是获得高分辨率的理想途径。2、正文2.1、LCOS投影仪的基本结构和原理LCO
10、S的基本结构如图2所示，带有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)矩阵的硅晶片基板与一透明玻璃基板之间插入液晶的构造组成。MOSFET驱动电路在铝反射镜电极的背面，光阀的全部面积可以对入射光进行调制。因此像素窄间距化、增多像素数目不会降低开口率，同时可以得到高清晰化与高亮度化。目前LCOS像素间距已经微细化到7.6unl，像素数达到SXGA也已经产品化。 图2 反射型液晶光阀(LCOS)的基本元件构造LCOS投影仪的基本结构是由将光源发射的光束导向液晶光阀的照明光学系统，与将因液晶光阀形成
11、图像信息的光束放大投影到屏幕上的投影光学系统以及与光阀尺寸相当的偏振光分离器(PBS:Polarization beam Splitter)。PBS会带来重量增加及投影透镜的后焦点变长的问题。全彩色的投影仪可为单片光阀或三片光阀构成，对应投影仪分别被称为单板式及三板式。单片式因装置尺寸的小型化、成本低等优点，开发用作廉价的民用。而三片式的有点在于画质与光输出方面，因此用作专业及民用，成为现在投影仪的主流。三片式投影仪的普通光学系统如图3所示。传统的色分离合成光学系统与透过式液晶投影仪基本相同。三个偏光分离PBS分别配置在红绿蓝的光阀前。S偏振光被PBS反射，用分色镜(DM)分离初的红绿蓝各光束
12、分别照射到对应的光阀上。在各光阀分别形成与该颜色对应的图像，由各光阀将入射S偏振光调制成P偏振光，通过PBS后，由分色棱镜(DP)进行色合成再通过投影透镜投影在屏幕上。此光学系统必须有三个用于红绿蓝光阀的PBS，因此有装置重量大，投影透镜后焦点变长，F数变小，光利用效率降低等问题。三色分解合成棱镜(Color Separation Prism)，如图4所示，光学系统由一个PBS与飞利浦型棱镜组成。这个结构可以简化LCOS投影仪光学系统。 图3 三片式投影仪的普通光学系统构架 图4 飞利浦棱镜投影机构架 2.2、投影仪各部分元件分析2.2.1、反光镜普通的点光源用于投影系统中，通常用反射罩将光源
13、四处发散的光收集以及聚焦到一个小点，使得目标点的亮度尽可能高。投影显示系统光源都带有收集光能的冷反光镜，其主要类型有椭球形、抛物面型、和深锥椭球形。如图，由三角形法则可知由清晰度可知所以令E为焦点曲线的延长线。当为圆的时候，s=0,r=f，如果焦点移动，则焦点移动=E。当为抛物线的时候，,2.2.2、UV-IR Filter 由于发光本身的光谱特性，包含着紫外光以及红外光，因此在光学系统部分里面，我们必须使用UV-IR Filter来阻绝此波段的光源。UV光的害处是破坏液晶分子，脆化塑料元件。而IR光的害处是使光械内部产生高热，所以在光械里面使用UV-IR Filter可以有效阻绝这些危害。2
14、.2.3、光管 光管是投影仪中常用的光学器件，它可以是实心的玻璃棒也可以是由内镀高反射膜的反射玻璃平板组成的中空玻璃棒。前者是利用几何光学全内反射的原理，在反射过程中没有光能量的损失，只有材料吸收影响效率，另外在入射光束角度较大的情况下，部分光线入射角太大，进入光管后与管壁角度小于光管玻璃材料所对应的临界角，也会造成一定的光能损失。后者对光学效率的降低主要是由反射引起，另外镀反射膜光管对输入光束的角度没有限定。然而其内壁镀膜增加了成本，因此实心的玻璃棒的应用更为广泛。为了减少光束的数值孔径，我们使用的光管具有一定的锥度，可以将高数值孔径的输入光转化为低数值孔径的输入光0.此外光管还可以根据LC
15、OS面板的形状和尺寸调整输出光束的形状尺寸，同时提高了照明的均匀度。如图5所示，由于光管有一定的锥度为占度，被反射的光线的角度相对于反射前角度变小了一些，光线角度的改变为光管锥度的两倍2占度，当光线的角度减小到小于占度时，光线不会与光管内侧相交，而直接由光管输出面射出。如果锥形光管的锥度非常小，而光线在锥形光管中无数次反射，最终会使得光线角度减小到零。然而这样要求锥形光管的长度无限长，显然是不符合实际情况的。通常光管长度是有限，并且光管锥度有一定的大小。 图5锥形光管示意图2.2.4、 复眼透镜阵列2.2.4.1 复眼透镜阵列实现均匀照明的原理复眼透镜又叫蝇眼透镜或鱼眼透镜，是实现均匀照明常用的方法。复眼透镜阵列要实现均匀照明需两列复
