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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2004年
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投影显示系统光学引擎研究

张增宝  
【摘要】: 基于空间光调制器的投影显示技术具有高亮度、高分辨率、数字化等优点,近几年得到了飞速发展,具有非常诱人的市场前景。随着数字电视和高清晰电视(HDTV)标准的确立以及DMD和LCoS等空间光调制器技术的成熟,投影显示技术具有更加广泛的应用前景。投影显示系统的光学引擎,是系统的主要组成部分,并且直接影响到系统的最终性能,因此实现光学引擎的光学总体设计是这一系统的关键。 本文分析和研究的出发点是大屏幕投影显示的应用研究,主要工作集中于照明系统的设计和光学引擎的建模分析,通过仿真模拟和优化设计来实现和改进系统。 针对光学引擎的特点,运用非成像光学理论方法进行了系统分析,借助于非成像光学中光学扩展量(Etendue量)作为光通量的描述,采用光学扩展量表征系统的光能利用率,分析了系统光学扩展量的变化与光能利用率的关系。在深入分析设计原理的基础上,使用ZEMAX、LightTools等软件实现了结构紧凑、高光能利用率、高均匀性的偏心的蝇眼透镜阵列设计,在0.9英寸TFT-LCD面板的投影仪上已经被商业应用,达到了厂家的技术指标要求。同时设计了基于DMD照明的具有倾斜透镜单元的方棒照明系统。分析了光线经方棒和复眼透镜后的光学扩展量的变化,从而为系统参数设计提供了有益的分析和指导。 在照明系统设计中提出了反光碗的改进设计,提出了半椭球型、椭球双曲二次成像型、双抛型和双轴双抛型照明模型。仿真结果表明,系统实现了高Etendue效率的照明,在0.5~0.7英寸SLM的投影显示中有潜在的应用价值。 对分色合色分系统和投影镜头分系统设计进行了初步研究,结合二向色滤光片分色合色系统,利用LightTools软件的照明模块实现了投影显示系统的颜色特性分析。对SCR色轮分色合色系统从结构、膜系、光能利用率和Etendue量几个方面进行了研究,并提出了改进设计。结合反远距型物镜光学设计基本理论,及大视场光学系统像面照度理论,对光学引擎中的投影镜头设计进行了研究,实现了投影镜头的设计,满足了光学引擎的总体指标要求。 最终实现了光学引擎的计算机仿真设计、建模及评价,并给出了三种光学引擎方案的整体建模和性能分析,提出了投影显示整体建模仿真的研究思路。设计了TFT-LCD投影显示系统,计算机模拟仿真与实验结果基本相同,达到了厂家的指标要求。同时完成了LCoS及DMD的光学引擎方案设计,掌握了光学引擎设计的理论基础及关键技术问题的解决方法。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O439

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【引证文献】
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