光学设计

摘要

本文就现在市场上的投影仪情况进行简单分析、对比，并具体对LCOS的照明系统各部分结构进行较为具体的研究讨论。在这篇文章中，由工程光学的研究角度，由投影仪的基本原理入手，通过对个部分的建模和仿真，探寻一种合理的能提高屏幕亮度，照度均匀性的方法。由于时间有限，很多地方都并没有分析得很清楚。当然，这一定程度上是因为投影仪的照明系统本身就是一个比较大的问题。国内外都有对此进行研究，希望能更好的提高光利用率以及成像质量。国内的投影仪技术还相对较为落后。而日本则在这方面走在世界前列。

而笔者在此也表示没有达到自己所期望的目标，以后如果有机会，将继续对这个问题进行了解、研究。

Abstract

This paper the projector on the market now on simple analysis, comparative, and on specific LCOS lighting systems are all parts structure specific research discussion. In this article, from the Angle of engineering optics, the study of the basic principles of overhead projector, through a part of the modeling and simulation, explores a kind of rational can improve the screen brightness, intensity of illumination uniformity method. Because of the limit time, a lot of places don’t analysis very clearly. However, partly because the illuminator systems itself is a big project. Domestic and international groups are studying this, and hope to improve the utilization and image quality. Domestic projector technology is still relatively backward. But Japan is leading in this respect in the world.

But the author in this also say that they have not achieved their desired goal, later if there is a chance, will continue to study and research this problem.

目录

1、引言 (3)

1.1、历史背景 (3)

1.2、投影仪市场现状分析 (3)

2、正文 (4)

2.1、LCOS投影仪的基本结构和原理 (4)

2.2、投影仪各部分元件分析 (6)

2.2.1、反光镜 (6)

2.2.3、光管 (7)

2.2.4、复眼透镜阵列 (7)

2.3、参数计算 (9)

2.3.1、焦距比F决定了照度和通过系统的流量 (9)

2.3.2、对于复眼透镜阵列系统 (9)

2.3.3、PBS分光棱镜 (10)

2.3.4、照明系统的F参数 (11)

3、系统模拟 (12)

4、总结 (13)

参考文献： (14)

1、引言

1.1、历史背景

在会议中或者视听教学场所，演说者为了把自己的意思表达给全体观众，常常将演说内容制作成投影片或者幻灯片，利用投影仪将资料投影到屏幕上，使得观众能清的了解演说者要表达的讯息。公元1839年法国人奥古斯特发明了幻灯机，其结构如图1所示。他将文字或图片制作成幻灯片，利用幻灯机的光学系统将幻灯片上的影响投射到屏幕上。成为历史上第一台静止图像的投影仪。由于其体积小携带方便，至今仍广泛使用。

图 1

随着近年来投影显示迅速发展，投影机的应用范围不断扩大，已经开始从教育等专业市场逐步向家庭，娱乐等新兴市场转移，为了适应市场发展的需要，开发低成本、性能适中、工艺简单的小型投影仪已成为必然趋势。

1.2、投影仪市场现状分析

对于投影仪的评价目前主要从三个方面进行：

1)屏幕上的亮度：单纯依靠改变光源自身功率来提高屏幕亮度的方法是不理想的，目前主要采用提高光源效率，减少光学组件能量损耗和加装微透镜等技术手段来提高亮度。

2)屏幕上照明均匀性：在投影仪的照明系统设计中通常采用两种器件来实现照明均匀化

目的，一是采用成像元件一透镜阵列，另一种是非成像元件一积分光管，比较这两种器件实现照明均匀他的原理，透镜阵列的加工和设计过程过于复杂并且成本高，而积分光管是通过使光线进入其内部后经多次反射后，实现在光管的末端形成均匀的照明的目的，具有结构简单紧凑，造价低廉，高效率等特点。

3)由投影仪投影镜头确定的像质评价。本文着重讨论的是投影仪照明系统设计，主要从前两个因素来考虑完善投影仪照明系统的设计。

目前市场上仍以LCD、DLP与LCOS三类投影机为主。我们对三种投影机的优缺点做一个比较，整理如下表

由于DLP投影机不需要像LCD及LCOS投影机中使用到复杂的光学系统来提升光使用的效率，因此产品拥有小型、轻量化的特性，在可携式与超可携式投影机市场上占有率较高。而LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影显示是一种新型的反射式LCD微投影技术，与穿透式LCD相比，LCOS具有以下明显的优势:开口率高从而光能利用效率高，可以同时保证高清晰度与高亮度化;LCOS的尺寸一般为.07英寸或更小，可以降低系统的成本、物理尺寸以及重量。而且LCOS可以通过像素窄间距化来增加像素数目，提高分辨率，是获得高分辨率的理想途径。

2、正文

2.1、LCOS投影仪的基本结构和原理

LCOS的基本结构如图2所示，带有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)矩阵的硅晶片基板与一透明玻璃基板之间插入液晶的构造组成。MOSFET驱动电路在铝反射镜电极的背面，光阀的全部面积可以对入射光进行调制。因此像素窄间距化、增多像素数目不会降低开口率，同时可以得到高清晰化与高亮度化。目前LCOS像素间距已经微细化到7.6unl，像素数达到SXGA也已经产品化。

图2 反射型液晶光阀(LCOS)的基本元件构造

LCOS投影仪的基本结构是由将光源发射的光束导向液晶光阀的照明光学系统，与将因液晶光阀形成图像信息的光束放大投影到屏幕上的投影光学系统以及与光阀尺寸相当的偏振光分离器(PBS:Polarization beam Splitter)。PBS会带来重量增加及投影透镜的后焦点变长的问题。全彩色的投影仪可为单片光阀或三片光阀构成，对应投影仪分别被称为单板式及三板式。单片式因装置尺寸的小型化、成本低等优点，开发用作廉价的民用。而三片式的有点在于画质与光输出方面，因此用作专业及民用，成为现在投影仪的主流。

三片式投影仪的普通光学系统如图3所示。传统的色分离合成光学系统与透过式液晶投影仪基本相同。三个偏光分离PBS分别配置在红绿蓝的光阀前。S偏振光被PBS反射，用分色镜(DM)分离初的红绿蓝各光束分别照射到对应的光阀上。在各光阀分别形成与该颜色对应的图像，由各光阀将入射S偏振光调制成P偏振光，通过PBS后，由分色棱镜(DP)进行色合成再通过投影透镜投影在屏幕上。此光学系统必须有三个用于红绿蓝光阀的PBS，因此有装置重量大，投影透镜后焦点变长，F数变小，光利用效率降低等问题。三色分解合成棱镜(Color Separation Prism)，如图4所示，光学系统由一个PBS与飞利浦型棱镜组成。这个结构可以简化LCOS投影仪光学系统。

图3 三片式投影仪的普通光学系统构架

图4 飞利浦棱镜投影机构架

2.2、投影仪各部分元件分析

2.2.1、反光镜

普通的点光源用于投影系统中，通常用反射罩将光源四处发散的光收集以及聚焦到一个小点，使得目标点的亮度尽可能高。投影显示系统光源都带有收集光能的冷反光镜，其主要类型有椭球形、抛物面型、和深锥椭球形。

如图，由三角形法则可知

222(')2cos()r r s rs πα=+--

由清晰度可知

'2r r s f +=+

所以

21cos 11f

r E E

α=

++

+

令E 为焦点曲线的延长线。当为圆的时候，s=0,r=f ，如果焦点1f 移动1f ?，则焦点2f 移动2f ?=E 1f ?。当为抛物线的时候，s =∞,21cos f

r α

=+

2.2.2、UV-IR Filter

由于发光本身的光谱特性，包含着紫外光以及红外光，因此在光学系统部分里面，我们必须使用UV-IR Filter来阻绝此波段的光源。UV光的害处是破坏液晶分子，脆化塑料元件。而IR光的害处是使光械内部产生高热，所以在光械里面使用UV-IR Filter可以有效阻绝这些危害。

2.2.3、光管

光管是投影仪中常用的光学器件，它可以是实心的玻璃棒也可以是由内镀高反射膜的反射玻璃平板组成的中空玻璃棒。前者是利用几何光学全内反射的原理，在反射过程中没有光能量的损失，只有材料吸收影响效率，另外在入射光束角度较大的情况下，部分光线入射角太大，进入光管后与管壁角度小于光管玻璃材料所对应的临界角，也会造成一定的光能损失。后者对光学效率的降低主要是由反射引起，另外镀反射膜光管对输入光束的角度没有限定。然而其内壁镀膜增加了成本，因此实心的玻璃棒的应用更为广泛。为了减少光束的数值孔径，我们使用的光管具有一定的锥度，可以将高数值孔径的输入光转化为低数值孔径的输入光0.此外光管还可以根据LCOS面板的形状和尺寸调整输出光束的形状尺寸，同时提高了照明的均匀度。

如图5所示，由于光管有一定的锥度为占度，被反射的光线的角度相对于反射前角度变小了一些，光线角度的改变为光管锥度的两倍2占度，当光线的角度减小到小于占度时，光线不会与光管内侧相交，而直接由光管输出面射出。如果锥形光管的锥度非常小，而光线在锥形光管中无数次反射，最终会使得光线角度减小到零。然而这样要求锥形光管的长度无限长，显然是不符合实际情况的。通常光管长度是有限，并且光管锥度有一定的大小。

图5锥形光管示意图

2.2.4、复眼透镜阵列

2.2.4.1 复眼透镜阵列实现均匀照明的原理

复眼透镜又叫蝇眼透镜或鱼眼透镜，是实现均匀照明常用的方法。复眼透镜阵列要实现均匀照明需两列复眼透镜平行排列，第一列复眼透镜阵列中的各个小单元透镜的焦点与第二列的复眼透镜阵列中对应的小单元透镜的中心重合，两列复眼透镜的光轴相互平行，在第二列复眼透镜后放置聚光镜，聚光镜的焦平面放照明屏就形成了均匀照明系统，如图所示。

图 6 复眼透镜阵列

敷衍透镜均匀照明的原理是：与光轴平行的光束通过第一块透镜后聚焦在第二块透镜的中心处，第一排复眼透镜将光源形成多个光源像进行照明，第二排复眼透镜的每个小透镜将第一排复眼透镜对应的小透镜重叠成像于照明面上。由于第一排复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能得到有效均匀利用。从第二排复眼透镜出射的光线通过聚光镜聚焦在照明屏上，这样，照明屏上的光斑的每一点均受到光源所发出的光线照射，同时，光源上的每一点发出的光束又都会重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的矩形光斑。

2.2.4.2复眼透镜列阵数对均匀照明的影响

通过对8×5的复眼透镜列阵模拟得到的照明效果，和在其他条件不变，减小复眼透镜阵列的每个小单元的尺寸，采用16 ×10 阵列的复眼透镜模拟的照明效果我们得出：复眼透镜阵列数增加后，照明光更加集中，光斑亮度更高。但在聚光镜焦距不变的情况下照明面积却变小了。这是因为增加复眼透镜阵列列数、减小每个单元的尺寸时，复眼透镜的每个小单元将光源的光束分得更细，增大了入社到照明屏上光束的发散角。根据理想照明系统中展度守恒的原则，展度，其中，As是发光面积，θ是发散角，可知当光斑的发散角增大时，照明面积会减小，光斑更加集中，亮度更高。此时可通过增加聚光镜的焦距f来保证均匀照明的面积，但系统的结构却因此变得不太紧凑。因此，应使照明效果的改善和系统结构的紧凑达到平衡。

2.2.4.3入射光束的发散角对照明效果的影响

当发散角较小时系统光路图如图7所示。

图7 发散角较小时的系统光路图

光线通过第一列复眼透镜阵列后，偏离了第二列复眼透镜单元的中心，但没有完全偏离对应的透镜小单元。这时由于焦平面上同一点发出的光线经过透镜后，将平行射出，因此这与平行光轴的平行光通过第二列复眼透镜列阵后出射的光线方向一，将照射到相同的区域，不产生旁瓣。当入射到第一列复眼透镜阵列的光束发散致角很大时，得到的照明效果图中中央的照明光斑亮度低，轮廓不清晰，且有旁瓣。这是因为发散角大到一定程度时，从第一列

复眼透镜阵列射出的光线，可能完全偏离第二列复眼透镜的对应单元。此时从第二列复眼透

镜阵列出射的光线，将与平行光轴出射的平行光线不同，其照明光斑将偏离中央照明区域。可见，光源发散角对照明效果将造成严重的影响，当发散角较小时，复眼透镜阵列可以予以校正，如果发散角较大时，照明光斑会出现旁瓣，甚至出现完全分开的照明光斑，极大的降低了中央照明光斑的亮度和光源的利用率。需要利用准直系统将光源的发散角减小，使其近似平行的入射到复眼透镜阵列上，减小旁瓣，提高光能利用率。

2.3、参数计算

2.3.1、焦距比F 决定了照度和通过系统的流量

#D

F =

有效焦距f

直径

对于无限远#F =

f D

对于近距离物体#(1)p

M F M =

+f D 。其中M 为放大率，p M 瞳孔比。 2.3.2、对于复眼透镜阵列系统

由类似的三角关系可知

''''A B A W f f =，系统的焦距比数关系'#B f F φ

=

2.3.3、PBS 分光棱镜

偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P 偏光完全通过，而S 偏光以45度角被反射，出射方向与P 光成90度角。此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。

在LCD 或LCOS 投影机中要用到偏振光分光器（PBS ）与偏振光转换器（PCS ）,利用这种器件可以产生偏振光,提高光的利用率。根据物理光学原理,在不同介质界面处光线会发生反射和折射,从而得到振动方向相互垂直的S 偏振光和P 偏振光。在玻璃表面镀有多层不同介质的薄膜,可使光线在每层界面处均发生反射和折射,以得到消光比很高的偏振光,这种器件就是PBS 。利用1/2波片改变偏振态的原理,可加工成PCS 。

PBS 的尺寸如果太大会浪费材料，增加系统的体积和重量，且使投影透镜的后焦点变长，如果PBS 的尺寸太小又会使得一部分满足系统投影镜头F 数的光线无法通过，造成光通量的浪费。LCOS 光阀的对角线尺寸为

0.47inch=12mm

按543的比例，我们有LCOS 光阀的边长尺寸为

9.6mm*7.2mm

PBS 棱镜由两个直角棱镜结合，棱镜材料为肖特玻璃SF6，折射率为

n=1.81264

系统F#数为1.7

1

tan 2 1.7

u =?

11tan 'tan 6

u u n ≈

≈ 这样光线在玻璃里的走向比1/6

2126,3x x x +==

因此PBS 的边长取为18rnm 。

2.3.4、照明系统的F参数

由A=2B,可得

'

A

d f

A

f

?

=，所以

''

'

B

W f

f

d

?

=

'''

#9.657

B

f

F W

d

φ

==

3、系统模拟

在此，笔者曾用多种软件尝试过系统模拟的办法，如：Zemax、TracePro、Light Tools、Opricalworks.但都由于下载、安装、使用等问题无法达到理想的效果。

最终，笔者在tracepro下建立如下模型

由于时间关系，这只是整个照明系统的前面部分PBS和LCD以及镜头部分没有再做模拟。下面两图分别为对反光碗口处照度和锥形光管出口处的光照度分析。

对于所得结果的具体分析，由于知识有限，还不能给予具体的结论。而且感觉建模也不尽如人意，希望老师谅解。

4、总结

在科学技术尤其是信息技术飞速发展的今天，人类需要感知的信息量越来越大，而视觉是人类感知信息的最主要途径和手段，人类获知信息的60%来自视觉，由此可见，显示技术对于充分发挥人类的视觉功能，扩大人类的感知信息量，加速信息的传输与感知都具有十分重要的意义。随着LCOS技术的成熟，LCOS微型投影仪具有良好的发展前景，它的便携、廉价为人们日常的社交生活带来了越来越多的便利。投影系统逐渐微型化使得照明系在投影系统中的重要性越来越大，从而对投影仪所用光源也提出了更高的要求，光强大，发光面积小且光学扩展量(Etendue)小，而LCOS光阀面积尺寸很小，要求大量的光能够均匀的通

过一个很小的面积。

本文对于LCOS微型投影仪的照明系统的研究工作正是基于这样的需求展开。本论文以非成像光学理论为基础，分析了非成像光学与成像光学研究的不同侧重。从能量的角度对LCOS微型投影仪系统进行分析，从而为LCOS微型投影显示系统的优化设计以及性能评价提供了理论基础。

对点光源照明系统以及LED面光源照明系统中的常见光学器件的原理和性能进行分析，并且通过模拟仿真对器件的参数进行选择和优化，最后分析比较模拟结果。主要从光束利用效率、均匀性、中间光束的角度与系统F数的耦合等方面对器件进行评价。之后本文从全局的角度对课题中设计和仿真的两个系统进行分析。系统的结构给出以后，以光源发出光线的光路为顺序详细对系统的组件进行尺寸和设计说明，并对整个系统进行仿真模拟和优化分析。非成像光学对照明系统的设计给出了新的评价标准，然而由于设计中的因素很多且光路复杂，所以系统的优化相对比较困难。在实际的设计中要根据现有的条件，对设计要求、成本进行综合的考虑。并且在实际的光路模拟中对系统进行优化，对系统光能利用率和照明均匀性进行评价。

在研究过程中，发现LCOS微型投影仪的技术还存在一些不足:例如光源能量的利用率仍然不是很高，许多能量在光束的整型过程中被浪费掉了。如果可以根据实际的设计选择或者生产比较理想的光源，不但能提高系统的效率，也能简化系统。实现低功率高效率的LCOS 微型投影仪是便携的主要方向。综上所述，本论文只是对于LCOS微型投影仪的初步模拟和实验，而且由于时间关系由一些具体机械结构涉及的光学问题就没有再做深入的研究，而得到实用的可以产业化的结果还需要很多细节的改善工作。

参考文献：

《光导管于LED投影机之创新设计》——陈亨哲

《照明系统》——作者不详

《LCOS微型投影仪照明系统的设计》——王荣

《用于投影显示的均匀照明系统设计》——师小波

《单片式LCOS微型投影仪照明系统设计》

——甄艳坤，叶子，刘云玲，余飞鸿《投影机光学系统简介》——作者不详

《投影机工作原理基本介绍》——陈科顺

《DLP、LCD与LED投影机》——晖少

《视标投影仪照明系统研究》——刘海峰