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基于LED照明的MEMS光栅光调制器的光学投影系统分析与设计

史玲娜  
【摘要】:随着数字技术的发展,将MEMS技术与空间光调制器相结合,开发基于MEMS技术的光调制器已经成为投影显示领域的研究热点;另一方面,大功率LED由于其突出的优点在近些年发展迅速,将大功率LED作为微投影显示系统的新光源正在被积极研究中。目前,市场上主要微投影显示产品的核心技术大都受到国外专利保护,因此,开发具有自主知识产权的基于MEMS技术的光调制器,并利用LED光源的优势设计相应的光学系统进行投影显示,对打破国外产品的技术垄断,提升我国在显示技术的水平和核心竞争力方面具有重要的科学意义。 本文分析和研究的出发点是针对课题组提出的新型光栅光调制器,设计用LED作为其光源的光学投影系统,通过仿真设计和实验来分析研究这一投影显示系统。本文作者在课题组前期工作的基础上进一步详细分析了用LED作为光栅光调制器照明光源的可行性;设计了在LED照明下的光栅光调制器的照明聚光系统和投影成像系统,并对设计作出评价;利用设计结果搭建了实验平台,验证了理论和设计的正确性。具体研究内容包括: 1)在光栅光调制器调制原理的基础上进一步分析了器件的表面弯曲度和周期性结构对器件调制特性的影响,优化了光栅光调制器的理论光学模型,为光栅光调制器的设计及加工工艺提出了改进方案。 2)利用部分相干光理论分析了将LED作为光栅光调制器照明光源用于投影显示的可行性。讨论了光源的尺寸、光谱带宽、表面结构对器件调制特性的影响,分别从频谱面的衍射光强分布,像面的光场分布和调制对比度等角度进行说明,分析了LED光源照明下的两种光学信息处理系统,从理论上证明了LED用于光栅光调制器照明光源进行投影显示的可行性,并以此指导光学投影系统的设计。 3)利用色度学原理分析了LED光源的色度学特性,分析了RGB三基色LED光源的数目之比、光源带宽变化对显示质量的影响,得到了在三基色LED光源照明下光源的最佳配比方案,并进一步通过显色指数说明LED用于投影显示的性能优异性。 4)利用Tracepro、Codev等光学软件,设计了一种自由曲面TIR透镜实现LED光能量的收集;通过直形光棒和梯形光棒两种方案实现了光场的均匀化,并对两种光棒在实现光场均匀化和改善出射光出射角方面进行比较;利用一套结构紧凑的聚光透镜组实现光能量的高效会聚,实现了大发散角的LED光能量的有效收集,并达到了器件的均匀照明。 5)依据光栅光调制器的光学调制原理和光学成像原理,确定了投影物镜的类型,利用Zemax、Codev软件设计了两种不同结构的投影物镜组,实现了光栅光调制器的信息处理和投影成像,并通过像差评价对两种结构的投影成像系统进行比较。利用X棱镜实现了三基色LED的彩色合成,最终实现了结构小巧的基于LED光源的光栅光调制器的光学投影系统的计算机仿真设计、建模和评价,掌握了光学投影系统设计的理论基础及关键技术问题的解决方法。 6)利用基于MEMS技术加工得到的光栅光调制器,从实验上验证了器件的弯曲度和周期性结构对调制特性的影响,说明理论分析的正确性;根据光学投影系统设计思想搭建实验平台,得到了LED照明下器件的衍射图样分布,并利用一个静态的MEMS光栅光调制器成像,在屏幕上得到该器件的投影图像,用三基色LED搭建了光栅光调制器的彩色投影系统,实现了LED光源照明下的彩色投影显示,说明了理论分析的正确性及仿真设计的合理性。从而率先在国内根据自主研制的基于MEMS技术的光栅光调制器结合LED光源的优势设计了一套全新的光学投影成像系统。


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