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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
2、率以及成像质量。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 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
6、系统92.3.3、 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：14.1、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
7、育等专业市场逐步向家庭， 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
8、使光线进入其内部后经多次反射后，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高对比度开口率提高具备完整量产技术高解析度高解析度光 学引 擎 结 构 较 简易于轻型化可 利 用 半 导体 制 作单光利用率高大 幅 降 低 面板 生 产成本缺点散热问题亮度较低影像对比较
9、差光利用率低仅 TI 提供晶片组不利于轻型化开口率低制作复杂、良率低较高光学元件成本动态显示受限由于 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 L
10、COS 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LCOS 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:MetalOxide 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
11、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
12、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四处发散的光收
