投影显示照明光学的理论和实验研究

论文摘要

当今科技的日益兴盛，越来越多与光学相关的新技术和新应用开始需要照明光学来为其提供支持，例如半导体光刻、背光和投影显示技术等等。这些技术的设计应用，遭遇了照明光学的最基本问题，即如何高效率地获得一个具有预期性能的照明光斑。在投影显示中，由于显示芯片都为4:3或16:9的矩形，因此照明光学在投影显示照明设计中的基本命题归结为：如何高效率地获得一个矩形的均匀光斑。照明光学近年来逐渐受到广泛关注的一门古老学科，它的特点是研究内容包罗万象，但设计理论的系统性不强。它包容传统的成像概念，又有别于成像光学，属于非成像光学范畴。因此本文通过对非成像光学研究，试图以更宽广的视角回答投影显示照明光学设计的基本问题，归纳其内在规律，并试图提出新思路以应对投影显示小型化的发展趋势。本文首先回顾了非成像光学理论的基本内容，并说明与成像光学的不同之处，然后在深入调研各种非成像光学器件的基础上提出实现矩形光斑均匀照明分布的两种方法——重叠（superposition）和剪裁（tailoring）。并由此得出——现阶段投影显示系统的照明设计其实都围绕“重叠”这种方法——的事实。三片式LCD系统中采用了光束空间叠加的方法，而DLP系统则运用了光束的角域叠加方式。这既是投影照明系统的演变历史决定，又是实际工程化的选择。本文第二部分针对重叠方法，选择了最具代表性的双排复眼照明系统作为研究对象。为了深入研究该系统的特点，首先建立了光源lumens-étendue模型，并通过该模型指出发光弧长越短，单位光学扩展量下光源能量输出效率越高的特点。其次建立了双排复眼照明系统的étendue模型，并以该模型分析复眼与光源，与显示芯片的扩展量匹配能力及能量传递效率。然后借助光源模型推得复眼上的照明光束的lumens-étendue模型，并以此研究了复眼空域叠加的工作方式——不同行列数的复眼结构引入的光束分割方式和分割数目对照明均匀性的影响，说明存在一个最佳值用以平衡性能及工艺的矛盾。再次，考虑到复眼照明系统的孔阑离散性的特点，建立投影物镜离散入瞳模型，研究了该特性对投影物镜MTF的影响。结果表明，入瞳的这种离散性造成Zemax等光学软件设计高分辨率投影物镜时MTF值被低估，给未来的成像镜头设计予以有益的指导。最后，在理论研究的基础上，设计并制造了一台高亮度三片式LCD投影显示系统，给出了双排复眼照明系统及变焦投影物镜的设计结果。该系统能量利用率约为17％，输出亮度达到3119流明（Lumens）。屏幕均匀度在93％以上。项目经过鉴定会专家鉴定，一致认为达到了国际先进水平。为了顺应投影显示的小型化发展及高亮度LED的运用，本文第三部分基于空域叠加的方法，提出并设计了一种新颖的反射式复眼照明系统。通过对系统设计方法的讨论和软件模拟，证明该系统以提高器件工艺复杂度为代价有效缩减了系统尺寸，同时维持良好的光学性能。“剪裁”方法给了投影显示照明系统设计的新思路。本文最后部分通过推导联系光源发光特性和被照明面照度分布的二次非线性偏微分方程，详细研究了逆向设计三维自由曲面反光碗的算法，并分析了该算法的适用条件，给出了设计实例，证明以“剪裁”法设计的三维自由曲面反光碗具有体积小巧、高能量利用率和高照明均匀性等特点。文章最后对整个课题进行了总结，并提出了今后需要进一步研究和发展的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 问题提出—照明系统的非成像研究及小型化设计
• 1.3 本文研究内容和创新
• 参考文献
• 第二章 非成像光学理论
• 2.1 非成像光学简介
• 2.2 非成像光学的分支之一—照明光学
• 2.3 非成像光学与成像光学的不同点
• 2.4 非成像光学的主要基本概念
• 2.4.1 光度学和辐射度学术语
• 2.4.2 光学扩展量（étendue）
• 2.4.3 朗伯分布（Lambertian），均匀分布（Isotropic），受限朗伯分布（Clipped Lambertian）
• 2.5 非成像光学器件的主要类型
• 2.5.1 基本类型
• 2.5.2 聚光类型
• 2.5.3 匀光类型
• 2.6 总结
• 参考文献
• 第三章 空域叠加型匀光器件—复眼在 LCD投影显示中的应用研究
• 3.1 复眼在照明领域的发展及在投影显示上的应用
• 3.2 双排复眼照明系统的étendue模型
• 3.2.1 光源的étendue模型
• 3.2.2 灯的lumens-étendue模型
• 3.2.3 双排复眼照明系统的初始化设计
• 3.2.4 复眼的étendue模型及对能量利用率评估
• 3.2.5 复眼的lumens-étendue模型及对照明均匀性的影响
• 3.3 双排复眼照明系统对投影透镜 MTF的影响
• 3.3.1 液晶投影显示系统结构
• 3.3.2 光瞳能量分布函数
• 3.3.3 数据计算
• 3.3.4 Zemax模拟
• 3.4 高亮度 LCD液晶投影仪样机设计
• 参考文献
• 第四章 空域叠加型匀光器件—多面结构在 LED投影显示中的应用研究
• 4.1 投影显示的小型化趋势
• 4.2 LED发光特点和光学设计
• 4.2.1 LED与其它多种投影显示光源的比较
• 4.2.2 LED的结构及其对光学设计的要求
• 4.2.3 LED投影仪结构
• 4.3 多面结构（Facets）反射复眼照明系统
• 4.3.1 Facets反射复眼照明系统的原理
• 4.3.2 光源和显示芯片参数选择
• 4.3.3 初始结构设计
• 4.3.4 模拟结果分析和总结
• 参考文献
• 第五章 剪裁型匀光器件—自由曲面在 LED投影显示中的应用研究
• 5.1 剪裁自由曲面反光碗的设计原理
• 5.2 自由曲面设计的差分方程
• 5.2.1 确定坐标系
• 5.2.2 光线的矢量表达
• 5.2.3 折射公式
• 5.2.4 波阵面与反射面曲率张量方程
• 5.2.5 辐射分布公式
• 5.3 曲面方程求解算法
• 5.3.1 有限差分近似
• 5.3.2 拟牛顿法求解非线性方程组
• 5.4 软件模拟和验证
• 5.4.1 均匀性分析
• 5.4.2 截止度分析
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 博士期间发表的论文
• 致谢