基于LED光源的DLP微投影显示光学引擎的研究

摘要

目前,随着便携设备的普及和多媒体设备的集成,对便携式设备的显示尺寸提出了更多的要求。液晶显示屏幕占领了14以下的显示终端市场,但是无法再进行更大的扩展。而便携式设备的信息分享对便携式设备的显示技术提出以下要求:体积更小、显示尺寸更大、光能利用率要高等,这些都不是传统的显示技术能够达到。微型投影技术是便携式显示设备的革命,它具有小尺寸、大的显示画面,必将成为移动设备上不可或缺的关键技术。但是,微型投影机面临需要进一步提高光效率和缩小体积的问题,以利于延长电池供电的工作时间和应用领域。本文针对这样的问题,对可以嵌入便携设备的微型投影机的光学系统进行了设计,主要在特定的小尺寸范围内实现投影光学系统的高效率。论文所做的主要工作和取得的成果如下:
　　1、首先介绍了微型投影机的设计意义、研究现状。对所选用的投影芯片DMD进行了简单的介绍。对LED光源应用在微投影光学引擎上的优势和不足进行了分析,并对LED光源与DMD结合使用的优势进行了分析。
　　2、介绍了光学设计中的非成像光学理论,以及非成像光学在微投影光学引擎设计中的应用,尤其是光学扩展量在优化设计中的应用。介绍了微投影光学引擎设计中的评价参数和设计目标。
　　3、提出了两种微型投影光学系统的设计方案。一种是采用复眼透镜作为主要光学元件,配合二色镜混色使用;另一种是采用光棒混光和匀光,与TIR棱镜组合对投影芯片进行照明。在软件ZEMAX中对投影机的镜头进行了相关设计。使用tracepro软件对方案一中的复眼透镜、二色镜进行了建模、仿真、分析和优化,光学效率仿真结果为8.99％。在tracepro软件中对方案二中的光棒、中继光学系统、TIR棱镜进行了建模、仿真、分析和优化,光学效率仿真结果为12.2％。
　　4、对CREE公司和luminus公司的两套三基色LED光源进行了测试。对复眼透镜系统到达DMD芯片上的光学效率进行了测试,结果为15.6％,对整体系统的光学效率进行了估算,整体效率在8％左右,仿真结果与实测结果相近。
　　论文最后对本文工作进行了总结,总结了两种方案设计中的不足,提出了方案的改进方向和意见。对采用光棒与TIR棱镜组合的光学系统的优化提出了方向和意见。

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第一章 绪论

1.1 微型投影技术的研究现状和发展态势

1.2 投影芯片简介

1.3 微型投影机光源的选用

1.4 本文的内容结构安排

第二章 微投影光学引擎光学设计原则

2.1 LED光源的光学特征

2.2 非成像光学理论

2.3 评价参数及设计目标

2.4 仿真软件简介

2.5 设计步骤

2.6 本章小结

第三章 复眼透镜照明方案

3.1 复眼透镜及其参数计算

3.2 复眼照明系统的能量利用率分析

3.3 DMD芯片的光学扩展量分析

3.4 复眼透镜模型及仿真结果

3.5 LED光源二次光学设计

3.6 彩色实现

3.7 投影物镜的设计

3.8 整体模型及仿真结果

3.9 本章小结

第四章 光棒混光匀光方案

4.1 光棒匀光原理

4.2 CPC原理及参数

4.3 光源混色装置

4.4 加中继透镜

4.5 全反射棱镜设计

4.6 整体系统仿真

4.7 本章小结

第五章 实物光源的测量与比较

5.1 LED光源测试

5.2 光学系统光效测试

5.3 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 工作总结

6.2 后续工作及展望

6.3 本章小结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果