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基于晶体双折射的宽角度偏振干涉滤光片理论、实验及其应用

贺银波  
【摘要】: LCOS技术以高开口率、高分辨率、低价格和低能耗等优点成为近些年最具发展潜力的显示技术。基于LCOS技术的投影显示更是大画面和高清晰度显示的杰出代表,并正以迅猛速度增长。光引擎是液晶投影成像显示的核心,现已成为LCOS投影显示技术发展的重要制约因素。为了提高光引擎效率并简化结构,我们提出一种适用于反射式LCOS投影显示系统的新型高效分/合色器件——偏振干涉滤光片。 本论文首先深入分析光在晶体中的传播特性,借鉴电学中的脉冲响应和采样定理,建立由前后两个偏振片之间夹放一系列角度任意延迟片构成的偏振干涉滤光片数学模型,并分析了其脉冲响应特性。详细推导了适用于偏振干涉滤光片角度特性分析的无奇异点扩展2×2琼斯矩阵,对正入射和斜入射下的偏振干涉滤光片光学特性进行了精确描述,并分析出偏振干涉滤光片具有大数值孔径的重要特性。 首次提出以全局优化算法设计偏振干涉滤光片的方法,利用多种全局优化算法,例如遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法和自适应模拟退火法,进行偏振干涉滤光片设计。在对这些算法特性分析比较的基础上,系统完整地提出适用于LCOS投影分/合色偏振干涉滤光片设计的最高效方法——自启动权值最小二乘算法(SWLS)结合自适应模拟退火算法(ASA)。不仅大大提高了计算速度,更重要的是可设计出给定条件下的Chebyshev最优估计,精确度和可控性大大提高。此外,还给出确定偏振干涉滤光片延迟量的数学方法和物理意义。详细分析了偏振干涉滤光片的容差特性,并着重测试输出光谱特性和角度特性,均得到与理论设计相吻合的实验结果。实际测量的角度特性进一步证实了偏振干涉滤光片的优良角度特性。 论文还深入研究了全色偏振干涉滤光片,并提出光轴旋转方向任意的全色偏振干涉滤光片。设计出可用于平板显示和投影显示的新型全色偏振干涉滤光片。详细比较后发现,新型的全色偏振干涉滤光片在输出光谱和色域范围等方面都优于传统的全色偏振干涉滤光片。 最后对偏振干涉滤光片用途进行合理拓展,利用偏振光的干涉特性,设计了几种实用的偏振器件,例如宽波段偏振旋转器、交错复用器和偏振整合器等。对偏振干涉滤光片的进一步推广做了新的尝试和探索。


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