LCoS微型投影仪光引擎的几大关键技术研究

摘要

微型投影光引擎作为微型投影仪的核心部件，可以较好地实现信息显示的便携性与分享性，有望在种种平台上实现大规模的应用。而白光滤光片型硅基液晶芯片(Color-Filter Liquid Crystal on Silicon，CF-LCoS)光引擎因其可以用白光LED进行照明、光学系统简单、组装方便、成本较低易于推广等特点，有望获得更为广泛的应用。如何根据当前白光LED与CF-LCoS特点，设计体积小、均匀性好、能量利用率高光引擎成为近几年业内争相研究的重点。
　　波前编码免对焦镜头理论主要涉及的是三次相位板，而相干成像过程中牵涉到的二次位相因子，实际上同三次相位板是存在紧密的关联。基于此原因，本论文首次严格推导了相干成像系统的透镜成像公式，并就其中与标定倒置理想像(Geometrical-Optical Predicted Image，GOPI)相乘的二次位相项(Quadratic Phase Term，QPT)消除条件进行了深入研究。从点扩散函数(Point Spread Function，PSF)与QPT引发的余弦和正弦相位项卷积原理出发，研究了该QPT可消除条件。该条件包含物尺寸限制条件和菲涅尔数限制两个条件。最后编写MATLAB程序，用均匀照明、方波、正弦波与三角形输入等四种GOPI模拟了两个限制条件，得到了与理论分析完全一致结果。这一推导可望在后面的波前编码免对焦镜头研究过程中将波前编码板三次位相因子同二次位相因子综合考虑，从而提升波前编码技术理论研究的深度。
　　作为光引擎第一个研究重点，论文根据LED发光特性以及CF-LCoS微型投影系统的特性，从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式。在此基础上根据CF-LCoS目标区域的尺寸及其对光束入射角要求，LED经整形透镜整形以后的光斑尺寸与发散角，根据推导的复眼系统的基本成像公式计算LED复眼照明系统的初始结构，然后利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系，将复眼成像、中继透镜分别利用成像软件进行直接优化，最后将两者通过孔径与中间像匹配原则同复眼阵列在成像软件中组合在一起，成功设计了大照明角度下的CF-LCoS复眼照明系统。系统以较小的复眼数，在保证CF-LCoS照明条件下，比较好地解决了照明系统效率同大角度的问题。这种成像光学优化方法较之传统的手工编写代码计算方法要简单和准确。非成像软件的模拟结果证明该方法得到的结果正确、均匀性好、效率高。论文最后设计并制作了CF-LCoS微型投影仪实验样机，进一步验证了本文所提方法的正确性和有效性。
　　作为光引擎第二个研究重点，论文以在国内外首先提出的光棒(Light Pipe)偏振复用思想为基础，进一步研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理，并利用成像光学软件模拟了偏置LED照明光棒时虚像的形成过程。根据此原理计算了不同偏置LED与不同LED尺寸情况下的光棒尺寸，再将计算所得的光棒尺寸与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统(Polarization Conversion System，PCS)（第一次用平板等效代替）、后端积分透镜、偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)等利用成像光学设计软件进行综合优化。最后将优化结果输入到非成像光学软件，得到光棒虚像阵列的中间实像以确定PCS具体结构以实现与该实像阵列匹配，确保LED发散角范围内光能高效收集、均匀照明以及偏振复用。论文最后设计了一款使用白光LED为光源的CF-LCoS微型投影光引擎，在1瓦功耗下实现8流明投射亮度，均匀性达到92％。相对于没有应用偏振光复用的微型投影光引擎，在保证均匀性的前提下，大大提升了微型投影系统的光效。
　　作为光引擎第三个研究重点，论文最后研究了CF-LCoS投影光引擎的离焦不敏感长景深镜头以满足投影光引擎不需要调焦机构的需求。新设计的镜头，在0.65m-2m的范围内，其MTF仍然满足CF-LCoS分辨率的要求，从而实现投影镜头的免调焦。这一镜头的研究有望大大简化微型投影系统的结构，进一步缩小微型投影系统的体积或尺寸。
　　本博士论文的主要创新性体现在:
　　1)论文首次从理论同数值模拟上证明了相干成像中二次位相因子可以省却的两个条件，并取得了与理论研究一致的模拟结果;
　　2)首次根据入射光束角与目标像斑尺寸，推导了复眼子眼的参数计算公式，利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系，将复眼成像，中继透镜成像分别根据CF-LCoS要求进行单独优化，最后将两者通过孔径与中间像匹配原则进行复眼阵列组合，成功设计了大照明角度下的CF-LCoS复眼照明系统与微型投影系统;
　　3)首次研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理，利用成像光学软件直接进行优化，非成像光学软件实现PCS确定以及光引擎结果的分析评价，在此基础上提出了多种光棒偏振复用系统;大大提升了光棒类微型投影系统的光效率。
　　4)采用逆向原理，有别于常规的波前编码用于成像的方法，将波前编码原理首次用于设计对焦不敏感的投影镜头，进一步简化了光引擎系统。

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致谢

摘要

图目录

表目录

1 LCoS微型投影仪的发展现状及其关键技术

1．1 微型投影仪的定义

1．2 微型投影仪主要应用

1．2．1 微型投影仪的一般应用领域

1．2．2 投影式触膜屏

1．2．3 投影相机与投影发像机

1．2．4 投影手机

1．2．5 掌上式微型投影仪

1．2．6 LED照明微型投影光引擎研究的内容与意义

1．3 影响微型投影仪技术指标的关键零部件分析

1．3．1 微型投影机技术分类

1．3．2 微型投影仪的主要技术指标

1．3．3 同微型投影仪主要技术指标相关的关键器件

1．4 CF-LCoS微型投影光引擎的优势

1．4．1 DLP技术与LCoS技术比较

1．4．2 CF-LCoS特点

1．5 基于LED照明的LCoS投影光引擎目前状态

1．5．1 锥棒、CPC以及SCPC聚光器方案

1．5．2 光棒、复眼匀光方案

1．5．3 光棒形状放大，角度缩小方案

1．5．4 非成像光学自由曲面透镜方案

1．5．5 全息扩散片混光匀光方案

1．6 本博士论文主要研究内容

参考文献

2 透镜相干成像系统二次位相项消除条件研究

2．1 本章引言

2．2 基本理论

2．3 理想像受QPT调制问题的讨论

2．3．1 透镜孔径为无限大的理想光学系统

2．3．2 透镜孔径为直径ι的衍射受限系统

2．4 模拟验证

2．4．1 GOPI均匀照明

2．4．2 GOPI为方波

2．4．3 GOPI为正弦波

2．4．4 GOPI为三角形函数

2．5 本章结论

参考文献

3 大角度LED复眼照明共轭成像优化设计

3．1 本章引言

3．2 大入射角度小入射光斑复眼计算理论

3．3 CF-LCOS复眼成像系统的分步优化

3．4 实验样机设计与结果分析

3．5 本章结论

参考文献

4 LCoS投影偏置LED照明光棒角度分割原理及其偏振复用系统

4．1 本章引言

4．2 传统投影照明系统偏振复用原理

4．3 偏置LED照明光棒角度分割原理

4．4 偏置LED照明光棒虚光源形成原理及光棒尺寸的确定

4．5 光棒虚像形成原理的成像光学模拟

4．6 光棒虚光源阵列的中继及其偏振利用

4．7 设计实例

4．7．1 LED尺寸充满整个光棒的照明系统

4．7．2 LED尺寸相对光棒尺比较小时的PCS阵列

4．7．3 偏置LED尺寸为光棒尺寸一半的PCS

4．7．4 光棒无偏心情况微型投影系统设计

4．8 光棒偏振复用与复眼偏振复用的特点比较

4．9 本章结论

参考文献

5 波前编码理论与用于CF-LCoS离焦不敏感投影镜头

5．1 本章引言

5．2 波前编码原理简介

5．3 波前编码系统的数学模型

5．3．1 数学基础

5．3．2 三次相位板

5．3．3 其他相位板

5．4 波前编码新应用-免对焦投影镜头

5．5 设计实例及实现

5．5．1 设计输入

5．5．2 长景深投影镜头的设计步骤

5．5．3 设计实例

5．6．本章结论

参考文献

6 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

攻读博士学位期间主要的研究成果