应用自由曲面的超薄投影显示系统理论和实验研究

论文摘要

投影显示技术是实现大屏幕显示的一种有效途径,显示技术的市场需求促使投影显示向高亮度、高清晰度、超薄化、大屏幕化等方向发展。超薄显示系统由于其本身的超薄结构,满足了在生活空间日益狭窄的环境下实现高质量显示的市场需求,因而具有广阔的发展空间。本文针对投影显示系统的光源、照明系统和成像系统进行分析,研究超薄显示系统的设计方法。采用非成像光学理论分析带反光碗的投影光源的光学扩展量,理论推导了光学扩展量与能量利用率之间的关系,并建立了一套新型的实验系统,测量得到带反光碗光源的光学扩展量与能量分布、能量利用率的关系,为后续照明系统的设计提供了有价值的参考。光源与照明系统的匹配程度直接影响投影系统的亮度和对比度,使用该方法进行分析和测量可以最大程度地提高光源与照明系统的匹配程度,从而保证超薄投影系统实现较高的亮度和对比度。在照明系统设计中,引入自由曲面进行设计。根据光源的发光特性和照明面上需要的光能分布,基于折反定律推导得到了微分方程组,采用差分法求解该方程组可得到自由曲面的面形数据。该方法简化了系统结构并提高了照明效率。虽然求解得到的自由曲面采用离散点表述,无法用表达式表征,但在照明系统设计中仍然具有广泛的应用前景。在成像系统设计中,本文采用离轴式方法设计超薄投影镜头。设计了四片非球面组成的离轴式反射系统,然而,仅采用非球面设计系统结构不够精简,性能也有待进一步提高,且非球面面形较大时加工和检测都存在一定的困难;继而提出了用球面Fresnel反射镜代替非球面的设计方法,虽然Fresnel反射镜加工和检测更为简单,且复制成本低,但对波长具有选择性;进而,应用折反系统结合的方式设计了离轴式投影镜头,该方法因兼具折射和反射的优点,在大屏幕超薄背投系统的设计中广为应用,缺点是会产生难以校正的色差,且结构复杂。为了解决上述四片非球面系统、Fresnel反射镜和折反系统结合投影镜头存在的问题,本文最后提出了采用自由曲面设计超薄成像系统的方法。由于离散点表述的自由曲面在像差校正、加工及检测等方面存在困难,提出了采用Zernike多项式表征自由曲面的面形,并利用Zernike多项式与Seidel像差之间的关系,优化自由曲面成像系统性能。该方法采用Zernike自由曲面反射镜进行设计,对波长没有选择性、系统无色差,且自由曲面具有较大的设计自由度,可以实现超薄的系统结构。基于理论研究,采用Zernike自由曲面设计了超薄超短焦的投影成像系统,大大简化系统结构的同时实现了优越的光学性能,并通过离轴设计,实现了超短距离内的大屏幕投影显示。为了验证离轴式超薄投影镜头的性能,论文还结合DLP照明系统设计了一台可实现超短距离投影显示的超薄投影机。根据国内加工水平并结合成本考虑完成了实验样机,为科研成果向批量产品的转化奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超薄投影显示系统概述
• 1.2 光学系统中的自由曲面
• 1.2.1 用自由曲面设计照明系统
• 1.2.2 自由曲面的面形表征
• 1.3 问题提出—用自由曲面设计超薄投影显示系统
• 1.4 课题研究内容和创新
• 参考文献
• 第二章 投影显示系统分析的新方法
• 2.1 投影显示系统的光源分析
• 2.1.1 投影显示系统中的光源
• 2.1.2 光源的光学扩展量分析
• 2.1.3 光源光学扩展量测量与评价
• 2.2 采用自由曲面设计照明系统
• 2.2.1 自由曲面偏微分方程
• 2.2.2 自由曲面数值求解
• 2.3 离轴反射式成像系统像差分析
• 2.3.1 离轴系统像差方程
• 2.3.2 畸变
• 2.3.3 球差
• 2.3.4 彗差
• 2.3.5 像散和场曲
• 参考文献
• 第三章 离轴式投影成像系统设计
• 3.1 非球面离轴式反射成像系统设计
• 3.1.1 设计原理
• 3.1.2 设计结果
• 3.1.3 设计总结
• 3.2 Fresnel镜离轴式成像系统设计
• 3.2.1 设计原理
• 3.2.2 设计结果
• 3.2.3 设计总结
• 3.3 折反结合离轴式成像系统设计
• 3.3.1 设计原理
• 3.3.2 设计结果
• 3.3.3 设计总结
• 参考文献
• 第四章 非球面离轴式反射超薄投影系统实验研究
• 4.1 系统设计方案
• 4.2 系统性能分析
• 4.3 容差分析
• 4.3.1 面形精度容差
• 4.3.2 位置精度容差
• 4.4 非球面反射镜加工和检验
• 4.4.1 非球面加工
• 4.4.2 非球面检验
• 4.5 样机机构设计和性能测量
• 4.5.1 样机机构设计
• 4.5.2 样机性能测量
• 4.5.3 测量结果分析
• 参考文献
• 第五章 Zernike自由曲面成像系统设计研究
• 5.1 Zernike多项式的特性
• 5.2 Zernike多项式表征自由曲面
• 5.2.1 最小二乘法
• 5.2.2 Gram-Schmidt正交法
• 5.2.3 协方差矩阵法
• 5.2.4 Householder变换法
• 5.3 Zernike自由曲面校正系统像差
• 5.4 Zernike自由曲面设计离轴反射超薄投影成像系统
• 5.4.1 设计原理
• 5.4.2 三片非球面和一片Zernike自由曲面系统
• 5.4.3 三片Zernike自由曲面系统
• 5.4.4 设计总结
• 5.5 Zernike自由曲面设计弯曲屏幕超薄投影成像系统
• 5.5.1 系统参数
• 5.5.2 设计结果
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 博士在读期间发表的论文
• 致谢