反射式投影显示光学系统的理论分析和应用研究

摘要

本文在对投影显示技术的发展现状，尤其是各种新型的反射式微型空间光调制器的工作原理、光源技术、各种投影光学系统的结构和原理、以及各种光学元件的工作原理和设计方法深入研究的基础上，将非成像光学理论引入到投影显示系统的设计中，为投影显示光学系统的设计提供了新的理论依据和优化方法，并针对反射式投影显示光学系统设计中的能量利用率、偏振现象等若干问题进行了详细的讨论。　　首先阐述了非成像光学中的光学扩展量概念，对投影显示光学系统的扩展量的传递进行了分析。通过对光源的光学扩展量的计算以及扩展量与输出光通量之间关系的详细讨论，提出了以光学扩展量和光源空间光强分布为依据，优化照明光学系统的方法。在此基础上总结了复眼照明系统和方棒照明系统的设计方法，建立了照明系统的扩展量分析模型，并对这两种系统的扩展量与能量利用率的关系进行了深入的分析。 其次，建立了LCoS投影系统的数学模型并通过对照明光偏振态的追迹分析，提出了引入波片改进系统偏振性能、提高对比度的理论设计方法，并给出了针对实际的三片式LCoS投影系统的计算结果。 最后，给出了单片式DLP背投影光学引擎和三片式LCOS背投影光学引擎的详细设计过程和设计结果，对系统中的各种关键光学元件和整个系统结构的设计方法、DLP投影系统的对比度和色度学特性等问题进行了深入讨论，并分析了投影显示技术的未来发展趋势。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究背景

1.2应用于投影显示的反射式空间光调制器

1.2.1 LCoS器件的工作原理

1.2.2 DMD器件的工作原理

1.3问题提出

1.4课题的研究内容

参考文献

第二章投影显示照明光学系统的研究

2.1投影显示中的照明光学系统

2.1.1光学扩展量

2.1.2投影显示系统中的UHP光源

2.1.3光源的光学扩展量

2.1.4光源的光学扩展量与输出光通量

2.1.5照明系统的扩展量及能量利用率

2.2复眼照明系统

2.2.1复眼照明系统及工作原理

2.2.2复眼照明系统的设计方法

2.2.3复眼照明系统的光学扩展量

2.2.4复眼照明系统的能量利用率分析

2.3方棒照明系统

2.3.1方棒照明系统的工作原理

2.3.2方棒照明系统的设计方法

2.3.3方棒照明系统的光学扩展量

2.3.4方棒照明系统的能量利用率分析

2.4复眼照明系统与方棒照明系统的比较

本章小结

参考文献

第三章LCoS投影光学系统中的偏振特性的分析

3.1偏振光在投影显示系统中的应用

3.1.1投影系统的理想模型

3.1.2实际投影系统中的偏振态

3.2投影光学系统中的偏振器件

3.2.1复眼和方棒照明系统中的PBS器件

3.2.2新型偏振转换元件—PRLP/PCLP

3.3改善LCoS投影光学系统偏振特性的理论设计方法

3.3.1三维空间数学模型

3.3.2仿真计算及结果分析

本章小结

参考文献

第四章DLP背投影光学引擎的研制

4.1单片式DLP投影光学系统

4.2系统设计方案和设计指标

4.3 TIR棱镜的设计和系统对比度分析

4.4照明系统的设计和模拟

4.5整个照明系统的模拟和分析

4.6色轮器件的分析和设计

参考文献

第五章LCoS背投影光学引擎的设计

5.1 LCoS投影显示光学系统

5.2系统设计方案和要求

5.3照明系统的设计

5.4偏振和分色合色系统的设计

5.5背投影物镜的设计

5.6样机机构设计和性能测量

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