投影顯示照明光學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、當(dāng)今科技的日益興盛，越來越多與光學(xué)相關(guān)的新技術(shù)和新應(yīng)用開始需要照明光學(xué)來為其提供支持，例如半導(dǎo)體光刻、背光和投影顯示技術(shù)等等。這些技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，遭遇了照明光學(xué)的最基本問題，即如何高效率地獲得一個(gè)具有預(yù)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(xué)在投影顯示照明設(shè)計(jì)中的基本命題歸結(jié)為：如何高效率地獲得一個(gè)矩形的均勻光斑。 照明光學(xué)近年來逐漸受到廣泛關(guān)注的一門古老學(xué)科，它的特點(diǎn)是研究?jī)?nèi)容包羅萬

2、象，但設(shè)計(jì)理論的系統(tǒng)性不強(qiáng)。它包容傳統(tǒng)的成像概念，又有別于成像光學(xué)，屬于非成像光學(xué)范疇。因此本文通過對(duì)非成像光學(xué)研究，試圖以更寬廣的視角回答投影顯示照明光學(xué)設(shè)計(jì)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(duì)投影顯示小型化的發(fā)展趨勢(shì)。 本文首先回顧了非成像光學(xué)理論的基本內(nèi)容，并說明與成像光學(xué)的不同之處，然后在深入調(diào)研各種非成像光學(xué)器件的基礎(chǔ)上提出實(shí)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(jì)其實(shí)都圍繞“重疊”這種方法——的事實(shí)。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(yùn)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(shí)際工程化的選擇。 本文第二部分針對(duì)重疊方法，選擇了最具代表性的雙排復(fù)眼照明系統(tǒng)作為研究對(duì)象。為了深入研究該系統(tǒng)的特點(diǎn)，首先建立了光源lumens-étendue模型，并通過該模型指出發(fā)光弧長(zhǎng)越短，單位光學(xué)擴(kuò)展

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

5、研究了該特性對(duì)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(xué)軟件設(shè)計(jì)高分辨率投影物鏡時(shí)MTF值被低估，給未來的成像鏡頭設(shè)計(jì)予以有益的指導(dǎo)。最后，在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)高亮度三片式LCD投影顯示系統(tǒng)，給出了雙排復(fù)眼照明系統(tǒng)及變焦投影物鏡的設(shè)計(jì)結(jié)果。該系統(tǒng)能量利用率約為17％，輸出亮度達(dá)到3119流明(Lumens)。屏幕均勻度在93％以上。項(xiàng)目經(jīng)過鑒定會(huì)專家鑒定，一致認(rèn)為達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)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(yùn)用，本文第三部分基于空域疊加的方法，提出并設(shè)計(jì)了一種新穎的反射式復(fù)眼照明系統(tǒng)。通過對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的討論和軟件模擬，證明該系統(tǒng)以提高器件工藝復(fù)雜度為代價(jià)有效縮減了系統(tǒng)尺寸，同時(shí)維持良好的光學(xué)性能。 “剪裁”方法給了投影顯示照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新思路。本文最后部分通過推導(dǎo)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(xì)研究了逆向設(shè)計(jì)三維自由曲面反光碗的算法，并分析了該算法的適用條件