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1、毕业设计说明书激光显示照明系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6月摘要激光显示是一种值得关注的显示技术。它是继黑白显示、标准彩色显示和数字显示后的新一代显示技术，是显示技术的一场革命。激光显示能实现传统显示所达到的所有先进技术指标，如大屏幕、高分辨率、数字化等。由于激光显示使用激光为光源，充分利用了激光波长可选择和高光谱亮度的特点，因此显示图像具有更大的色域；且激光是线谱，具有很高的色饱和度，实现有史以来最完美色彩还原，使人们通过显示终端看到我们最真实、最绚丽的世界。本文对LCD，LCOS，DMD，GLV等光学引擎及各自的优缺点进行了介绍，并对DLP技术的原
2、理和DMD的工作原理进行了分析， 说明光学扩展量的概念及非成像光学在照明系统设计的应用，最后用光学设计软件ZEMAX设计基于单片DMD的激光显示照明系统，通过软件仿真得出照明系统照明均匀度、光能利用率、照明光束的数值孔径等特性。关键词：激光光源, 显示 , ZEMAX, DMD， 照明系统AbstractLaser display is a noteworthy display technology. It is a revolution of display technology after black and white display, standard color display an
3、d digital display. The laser display can achieve the performance of conventional display, such as large-screen, high resolution,digitalization. Laser display use the laser as the light source,which takes full advantage of the laser wavelength selectable and high spectral brightness. So images by las
4、er display have greater color gamut,and high color saturation. We can watch most beautiful world through the laser display terminal.In this paper, we have described the advantage and disadvantage of LCD,LCOS,DMD,GLV etc. optical engine,and analyzed the DLP technology principles and DMD works.Whats m
5、ore, we have described the concept of optical entendue and the application of the optical design of non-imaging optics.Finally we have used ZEMAX to design display optical systems based on single chip DMD.The simulation results show that the optical system have high energy utilization ratio, large n
6、umerical aperture of illumination beam, illumination evenness.Key Words: laser light source, display,ZEMAX, DMD, optical system 目录第一章绪论11.1研究背景11.2 投影显示技术发展现状3第二章 投影显示照明系统621 照明系统62.2 光学扩展量62.3单片式DLP投影光学引擎的基本结构和工作原理62.4复眼照明系统及工作原理DLP照度均匀度及光斑图82.5 方棒照明系统的工作原理9第三章 激光显示照明系统的设计方法1031系统光源103.2 积分方棒103.3
7、中继透镜11第四章 照明系统的设计与仿真124.1 系统的设计124.2 设定系统光源124.3 方棒的尺寸确定134.4 中继透镜设计184.5 系统的仿真分析：204.5.1光管出射光斑及光学扩展量204.5.2 DLP上光斑及均匀性21第五章 总结与展望23参考文献：24致 谢26第一章 绪论传统光源的属于泛光光源，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
8、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1-4。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
9、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。投影显示技术诞生相对较早，因此发展的也比较成熟。伴随着近些年各种新型光电显示技术和器件的发展，投影显示技术也获得了新的生命力，各种数字投影机和投影电视的广泛使用，使得该技术在人们的日常学习生活中扮演着日益重要的角色。现代投影显示技术通常是以空间光调制器(Spatial Light Modulator-SLM)为核心，再配合各种光学元件组成投影系统的心脏光学引擎(Optical Engine-OE)，采用的光调制器不同，光学引擎的结构也
10、会有很大不同。但无论结构如何复杂，各类投影显示系统的工作原理都可以用即光源的光线经过表示。照明系统后被均匀的照射到空间光调制器上，而空闯光调制器根据显示信号的要求对照明光线进行调制，进而再经过投影系统放大投射到接收像面上进行显示。目前的投影技术中以LCD技术、DLP技术和LCoS技术为主 5-8，这些技术的主要区别就在于光调制器和配套的光学系统上。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9。发光型投影显示是指在显示器件上直接形成高亮度的
11、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10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11。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。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
12、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。按照投影系统中所使用的微型空间光调制器件的数量，投影显示系统可以分为单片式和多片式，其中以单片式系统和三片式系统比较常见，两种投影显示系统在工作原理上最主要的区别在于采用不同的分色和合色方法。单片式系统中，任何像素在任一时刻只能显示一种颜色的图像信息。因而为了实现彩色显示，单片式投影系统通常让显示器件在不同时刻显示
13、不同的颜色信息，对相应颜色的照明光进行调制，并利用人眼的视觉迟滞效果，将连续快速交替的单色图像融合为彩色图像。三片式投影显示系统中，每一显示器分别显示R、G、B三基色中的一种颜色的图像信息，通常采用空问分色的方法，首先将白色照明光分为R、G、B三单色光路，分别照明相应的空间光调制器，在经由特定的光学元件或光路构将显示在显示器件上的3单色图像的像精确的重叠在起，合成为彩色图像，并由投影物镜成像在屏幕上。三片式系统通常具有更高的亮度和分辨率，但系统结构复杂，成本较高，常应用于对亮度等性能具有较高要求的高端投影显示设备。而单片式系统结构简单、成本低，但系统的能量利用率(亮度)也低，常应用于背投影系统
14、或便携式正投影系统等低端产品。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。消费产品市场主要包LCDDLP前投影产品。应用在大型公共场合，如体育馆、数字影院等的投影显示产品对系统的亮度有很高的要求，如液晶光阀投影系统，高亮度的三片式LCDDLP投影机等。商务应用市场主要包括如销售、展示、会议、培训等方向12。1.2 投影显示技术发展现状笼统地说，投影机内部构造可以分为三个系统：光学系统、散热系统以及电路系统。其中又以光学系统最为核心，因为它直接决定着投影机所能达到的画面品质。光学系统是由几个部分组成的一个整体，芯片、
15、镜头、光路设计等都纳入其中，不过最为核心的则是芯片，根据技术原理的不同，芯片可分为许多种，目前最为主流的算是LCD与DLP芯片技术，其次是LCOS技术。以下是一些光学引擎的制造商：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SONY14。 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LCDDLPLCoS投影显示技术所取代，投影显示市场的争夺也将逐渐从LCD、DL
