（光学工程专业论文）液晶投影显示光学系统中若干问题的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 ( 液晶投影显示技术作为九十年代蓬勃兴起的一种大屏幕投影显示技术，集 微电子、液晶、光学、机械技术为一体，是现代光电子高科技产品的典型代表。 液晶投影显示系统的关键是产生大面积、高亮度，高质量的显示图象。系统不 仅要求有高分辨率的图象，而且要求图象具有高对比度、高亮度和高的画面均 、 匀性。因此液晶投影显示照明系统的设计不同于常规光学系统。，一 本文结合实际工作要求，比较了p h i l i p s 棱镜分色、和色系统和立方棱镜分 色、和色系统的特点；在一般摄象机中的p h i l i p s 棱镜分色系统的基础上对p h i l i p s 棱镜分色、和色系统进行了分析和设计，详细叙述了p h i l i p s 棱镜分色、和色系 统的设计要求和设计过程：并给出了“九五”系统中的设计实例。 本文对偏振分光棱镜对系统输出对比度的影响建立了分析模型，在此模型 的基础上，分析了入射光束孔径角和偏振面转换对系统输出对比度的影响，并 结合数值计算的方法，对不同数值孔径的入射光束、不同的系统排布方式时的 系统对比度给出了数值解；针对分析中的问题，提出了改善系统对比度的方案， 并比较了该方案对系统对比度提高的作用。 本文对液晶投影显示照明系统进行了优化。瞄先，建立了光源及冷反光碗 的数学模型：在优化过程中，区别于常规光学系统以像差作为评价函数，而是 以系统的能量利用率和照明均匀性作为评价函数，并且提出了评价函数的具体 结构；同时将优化结果与常规的临界照明和柯拉照明进行了比较。广7 。一 最后，本文结合实际工作，对液晶投影显示的发展趋势作了分析。 关键词：液晶投影显示、p h i l i p s 棱镜、偏振棱镜、照明系统。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i q u i dc r y s t a lp r o j e c t i o nd i s p l a y ( l c p d ) i sg r o w i n gu p w i t hv i g o ri nt h e 1 9 9 0 s a n dp r o m p t l yb e c o m i n gt h em a i nd i s p l a yt e c h n o l o g yf o ri n f o r m a t i o n a sa n e wa n dd e v e l o p i n gt e c h n i q u e ，l c p di st h et y p i c a lh i g h - t e c h n o l o g yp r o d u c t i o n w h i c h m e r g e sm i c r o e l e c t r o n i c s 、l i q u i dc r y s t a l 、o p t i c sa n d m e c h a n i s mi n t oaw h o l e t h ek e yo fl c p di st o g e n e r a t ed i s p l a yi m a g ew i t hl a r g ea r e a 、h i 曲o u t p u t l u m i n a n c ea n dh i g h q u a l i t y t h e r e f o r e ，n o to n l yt h eq u a l i t yo fi m a g eb u ta l s ot h e o p t i c a le f f i c i e n c ya n du n i f o r mm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ed e s i g no fo p t i c a l s y s t e mo f l c p d t h a t i st h em a i nd i f f e r e n c ef r o mt h ec o n v e n t i o n a lo p t i c a ls y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n p h i l i p ss y s t e ma n d c u b es y s t e mi ss t u d i e d i nd e t a i l b a s e du p o n t h i s ，w ea n a l y s i sa n dd e s i g np h i l i p ss y s t e ma n dg i v ea na c c o u n t o ft h e r e q u i r e m e n ta n dd e s i g n i n gp r o c e s s ；f u r t h e r m o r e ，w es h o wt h ee x a m p l eo f p h i l i p ss y s t e m u s e di nl c p d i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c eo f p o l a r i z a t i o nb e a m s p l i t t e ro n t h ec o n t r a s to f l c p d i ss t u d i e di nd e t a i l w es e tf o r w a r dt h em o d e lo f a n a l y s i s ，u p o nt h i s ，w ed i s c u s s e d t h e c o n t r a s to fl c p da td i f f e r e n tn u m e r i ca p e r t u r eo fi n c i d e n tb e a ma n dd i f f e r e n ts y s t e m a r r a n g e m e n t ，b yu s i n gn u m e r i cm e t h o d f o rr a i s i n gt h ec o n t r a s to fl c p d ，w es u g g e s t p l a n si nd e t a i la n da n a l y s i st h ea f f e c t i o no f t h i sp l a n o n r a i s i n gc o n t r a s to f l c p d a tt h et h i r dp a r to ft h i sp a p e r , w ed i s c u s s e dt h eo p t i m i z a t i o no fi l l u m i n a t i n g s y s t e m d i s t i n c tw i t ht r a d i t i o n a lo p t i c a ls y s t e m ，w h i c hu s e sa s t i g m a t i o na sm e r i t f u n c t i o n ，w eu s eo p t i c a le f f i c i e n c ya n du n i f o r ma sm e r i tf u n c t i o na n dd e f i n et h e s t r u c t u r eo fm e r i tf u n c t i o n w ec o m p a r e dt h er e s u l t sw i t ht h et r a d i t i o n a li l l u m i n a t i n g s y s t e m - - c r i t i c a li l l u m i n a t i o na n dk o h l e ri l l u m i n a t i o n a tt h ee n do f t h i s p a p e r , w e d i s c u s s e dt h e d e v e l o p m e n t t r e n do f l c p d k e yw o r d s ：l i q u i dc r y s t a lp r o j e c t i o nd i s p l a y ( l c p d ) 、p h i l i p sp r i s m 、 p o l a r i z a t i o nb e a m s p l i t t e r ( p b s ) 、i l l u m i n a t i o ns y s t e m 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 现代科学技术尤其是信息技术的飞速发展，驱动着传统的工业经 济向现代信息经济转变，信息产业已经成为世界经济的先导，是世界经 济发展的主流。信息技术的飞速发展和信息社会的到来为显示技术提供 了良好的发展契机，显示作为信息的窗口和上下“信息高速公路”的阶 梯，在商务、国防、教育、科研、娱乐以及家庭生活中起着日益重要的 作用。 国际上一般将显示技术分为直接显示( d i r e c tv i e w ) 与投影显示 ( p r o j e c t i o nd i s p l a y ) 两大类。直接显示主要有：阴极射线管( c r t ) 、 液晶平板显示( l c d ) 、发光二极管( l e d ) 、电致发光( e l ) 、场致发 光( f e d ) 、真空荧光显示( v f d ) 、等离子体显示( p d p ) 等。其中， 阴极射线管( c r t ) 显示由于技术成熟、主动发光效率高、色饱和度好、 寻址方式简单( 只需两对偏转线圈) 、显示质量好等优点，在当前的显示 市场中占有主导地位。在直接显示中，c r t 的主要竞争对手是液晶显示 ( l ( 、d ) ，后者不仅具有高分辨率、高对比度、显示质量好等优点，而且 体积小、重量轻，特别是近来增大液晶显示视角、防止灰度反转及彩色 移位的研究将使液晶显示得到更广泛的应用。据报导，液晶显示从1 9 9 0 年到1 9 9 5 年年平均增长率为3 2 ，1 9 9 6 年超过1 0 0 亿美元，其中有源 矩阵液晶显示器达4 9 7 亿美元，如果按上述3 2 的年增长率计算，到2 0 0 2 年将达到4 0 0 亿美元。其它的直接显示方式，如发光二极管显示( l e d ) 、 真空荧光显示( v f d ) 大都用于字符显示，分辨率较低；电致发光( e l ) 、 场致发光( f p d ) 、等离子显示( p d p ) 的共同缺点是寻址线路复杂、成 本高、技术不够成熟。 大屏幕、高清晰度和高分辨率是当前显示技术的发展方向。例如作 为新一代的高清晰度电视( h d t v ) ，美国作了多种测试，多数受测者认 为i - i d t v 只有在显示对角线l m ，3 倍于图像高度的距离上观看，才能 充分体现其高分辨率的优点。同时，大屏幕、高分辨率可以增强“临场 感”，不仅为家用电视所需要，而且在军事训练、教育、模拟、会议等场 塑坚丕堂堡主堂堡笙塞 合也同样需要。在目前的技术条件下，直接显示方式( c r t 、l c d 、e l 、 f p d 、p d p 、l e d 等) 可以实现屏幕对角线约l m ( 4 0 英寸) 的显示， 但对于对角线1 5 m 或更大的尺寸，实现非常困难，而且会造成体积庞 大、重量较重，成本也相应成倍地提高。因此，无论从制造成本还是技 术能力而言，投影显示都是目前条件下较为合理可行的实现大屏幕显示 的方案。 投影显示是将显示器件产生的图像通过光学系统投射到屏幕上进行 观看的显示方式。根据显示器件形成图像的方式，投影显示可分为：发 光型和调制型( 光阀型) 两类。 发光型投影显示：是指在显示器件上直接产生高亮度图像，再由光 学系统投影至屏幕上观看的显示方式，主要有c r t 投影显示和激光投影 显示两类。其中c r t 投影显示以其成熟的技术、优越的性能和价格，在 投影显示技术领域中占有一定的比重，但存在整机体积庞大，重量较重， 进一步提高亮度较困难的缺点。 调制型投影显示：其显示器件本身并不发光，而是根据输入信号改 变显示媒质的某些电光性能( 如反射率、透射率、折射率、双折射、散 射等) ，经外加光源的照射，把显示器件上的潜像经光学系统读出并投影 到屏幕上重现与输入信号相对应的图像。l c d 投影显示、l c l v 投影显 示、油膜光阀投影显示等均属于调制型投影显示。 投影显示在近几年发展极为迅速，其中，尤以始于八十年代末，九 十年代兴起的液晶投影显示更为突出，其不仅能实现高亮度和高分辨率 的大屏幕显示，在图像对比度、稳定性等方面性能良好，而且体积小、 重量轻、灵巧、方便，是一种较为理想的显示技术。据斯坦福资源( s t a n d f o r d r e s o u r c e ) 测算，1 9 9 6 年全世界销售近4 0 万台液晶投影仪，销售额达6 3 亿美元，1 9 9 8 年液晶投影仪销售6 0 万台，而且每年还在以2 0 以上的 速度稳步递增。预计2 0 0 2 年销售将超过1 5 0 万台，市场潜力和发展前景 十分巨大。 液晶投影显示，以有源矩阵扭曲向列型液晶显示( a m t n l c d ) 应 用最多。a m t n l c d 普遍采用非晶硅( o l s i ) 薄膜三极管有源矩阵寻址 技术，如图1 1 ( 1 ) 所示。a m t n l c d 由一系列薄膜三极管( t h i nf i l m t r a n s i s t o r ) 构成寻址元件，列电极( y 电极) 与输入信号相连，行电极 ( x 电极) 与时钟寄存器相连接作为稳频信号，行电极与列电极共同作 浙江大学硕士学位论文 ( 1 )( 2 ) 图1 it f r - a m t n l c d 工作原理及结构示意图 用于薄膜三极管，在相应象素的三极管上形成电荷的积累与电压的变化， 从而作用于上下两表面之间的扭曲向列型液 晶。图1 1 ( 2 ) 表示液晶分子轴向定向成9 0 0 扭曲分布，在出射方向有与入射光偏振方向 成9 0 度的偏振片，偏振光经过液晶分子， 在无电压的情况下，入射光线偏振方向旋转 9 0 0 ，理论透过率为1 ；在有电压的情况下， 出射光线旋转成椭圆偏振光，部分透过偏振 片；当电压高过一定值时，透过率几乎为零。 透过率与电压的函数关系如图1 2 所示，从 而形成依据输入信号变化的明暗及灰度等 级。 t r m l s r n i s s i o n v o l t a g e 图1 2t n 丌l c d 透过率 与电压的关系 a m t n - t f tl c d 采用的是电寻址方式，液晶光阀( l c l v ) 则采用 光寻址方式。i c i v 基本结 构如图1 3 所示，由夹在二玻 璃板间的透明导电膜、l c ( 液一 晶层) 、介质高反射镜、光 阻隔层和光导层等组成。工 作时在两电极间加上频率 l k h z 、峰值电压约i o v 的交 流电。液晶薄膜为介电各向 异性向列相液晶的薄层，液 晶分子的长轴与玻璃基板面 a c ab cdcfgcba a a rc o a l i n gb s u b s h - a t ee d i e l e c t r i cn u i t o r c i t o6 k n sd - l c1 a y e rf - t 曲tb l o c k i n gl a y e r g p h o t o c o n d u c t i v e6 1 m 图i 3 光寻址液晶光阀结构 浙江大学硕士学位论文 平行，上下基板问连续扭曲4 5 。，即扭曲排列。 液晶光阀的工作原理为：当光导膜上无光照时，加在两i t o ( 透明 导电膜) 电极的电压大部分降落在光导膜上，液晶层的电压低于其阈值 电压，故不产生双折射现象。因此，一束线偏振光二次通过液晶层后偏 振态与入射光仍相同，经与起偏器正交的检偏器后，光强输出为零，光 阀处于暗态。当光导膜上有光照时，由于光电导膜的光电效应，使光电 导膜的电阻率下降，其电压降减小，相应地液晶层电压上升，当液晶层 的电压超过闽值电压时，液晶分子开始重新排列并趋向于电场方向，这 时液晶的双折射使一束线偏振光变成椭圆偏振光，经检偏器后将有光输 出，称为亮态。从而得到一幅与写入图象对应的读出图象。 液晶投影显示技术的研究进入九十年代以来发展极为迅速。在 l c d p r o j e c t o r 领域中，日本的s o n y 、n e c 和e p s o n 公司是其中的主要 代表，而在l c l v p r o j e c t o r 方面，美国的h u g h e s - j v c 公司占据着主要 地位，其生产的l c l v 投影机无论在亮度还是分辨率上都代表了国际先 进水平。随着一系列新的方法和新的技术的出现，液晶投影显示的性能 将不断提高，成本不断下降，有理由相信，不久的将来，液晶投影显示 一定会在显示技术中占据更为重要的地位。 1 2 问题的提出 液晶投影显示无论在实现高亮度、高分辨率的大屏幕显示还是在降 低体积、重量和成本方面都有非常诱人的应用前景。对液晶投影显示系 统进行性能评价，主要应考虑以下因素： 1 )输出光通量：系统的输出光通量即屏幕上的流明数，这是投 影显示系统产生图像亮度的主要尺度。有两 种测量方法：一种是测量屏幕上1 0 9 6 峰值条 件下的光通量，即1 0 9 6 峰值白场流明值；另 一种是根据美国国家标准协会( a m e r i c a n n a t i o n a ls t a n d a r d i n s t i t u t e ) 制定的 a n s i l m ，测量屏幕上九块区域上即九点的平 均亮度，从而得到的满屏的平均光通量( 图 1 4 ) 。应该说a n s i l m 更能确切地反映系 图i aa n s i 流明测量方法 浙江大学硕士学位论文 统的性能。 2 )分辨率：有两种概念，一是指显示容量，即显示图像的象素、 电视线数等，即我们平常说的v g a ( 6 4 0 * 4 8 0 象素) 、s v g a ( 8 0 0 * 6 0 0 ) 、x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 、s x g a ( 1 2 8 0 1 0 2 4 ) 等。这种概念不直接反映屏幕尺寸大 小的影响，对一个较小屏幕上的高分辨率图像在较大屏幕上分辨率就会 降低，从这一点上说，另一种分辨率概念更为直观，它直接给出显示图 像单位尺寸内的显示线数或点数。由于系统投影物镜具有一定的放大倍 数，因而不同的系统必须在相同的显示图像面积内根据标准显示图像进 行测量比较。 3 ) 对比度与对比度视角：测量屏幕上全亮点与全黑点的亮度， 可得出系统的对比度= 全亮全黑。对比度视角是指测量屏幕上法向上的 对比度，以及与法向成一定夹角方向上的对比度之比，或者也可以以对 比度大于等于某数值( 如5 0 ：1 已基本满足人眼观察要求) 时的偏离法 向的角度( 即视角) 。 4 ) 色彩、色饱和度与灰度等级：指显示图像的色域与色度坐标 及其精度，以及彩色显示的颜色数，颜色与灰度等级可通过标准测试图 像进行测量。 5 ) 显示均匀性：根据a n s i l m 九点标准测量，除可获得全屏光通 量外，还可获得显示均匀性： + o 均匀性：兰o i = 1 9 i 其中：i ；为某一点的亮度 ，为九点平均亮度 6 ) 图像动态问题：包括帧频及隔行抖动，图像闪烁，图像惰性， 存储与更新时间等，一般而言，响应速度每秒必须大于等于2 5 帧动态图 像才不会产生闪烁。 7 ) 其他：包括可靠性、功耗、寿命等； 上述评价指标中，除图像动态问题与显示器件直接相关外，其他如 输出光通量、光能利用率、照明均匀性、分辨率、对比度等都由系统中 包括光源在内的光学系统决定。由此可见，光学系统占有举足轻重的地 位。 液晶投影显示光学系统的基本构成如图1 5 所示，主要由光源、照 浙江大学硕士学位论文 图1 5 液晶投影显示系统结构框图 明系统、分色系统、偏振转换、合色系统、投影物镜、显示器件及其寻 址部分( 电寻址或光寻址) 、信号输入设备和屏幕组成。光源发出的光经 照明及分色系统后照射到显示器件上，再由投影物镜投影到屏幕上形成 彩色图像。这其中：系统中信号输入设备及寻址部分供给显示器件输 入信号，根据显示器件的类型可以将系统分为反射式或透射式；偏振 转换可以提高系统的能量利用率，是否需要视系统要求与实际情况而定； 彩色图像可以在屏幕上合成也可通过合色系统在投影系统内部合成； 光源和照明系统决定了系统的光输出能量、照明均匀性以及系统投影 物镜的数值孔径。 在液晶投影显示光学系统中，从光源发出的光经冷反光碗、照明系 统、分色系统、液晶器件、合色系统、投影物镜后到达屏幕，环节多、 能耗大、光能利用率低。以图1 6 表示的t f t - l c d 投影显示系统为例。 光源效率为4 8 ，照明光学系统效率为6 0 ，分色系统效率8 0 ，偏振效 率5 0 ，液晶板透过率3 5 ，合色正方棱镜效率8 5 ，投影物镜效率8 5 ， 各因素相乘得到总的光能利用率仅为2 9 9 6 ，如果系统采用1 5 0 w 金属卤 化物灯为光源，光源发光效率为8 0 1 m w ，光源总的发光流明数为1 2 ，0 0 0 流明，而到达屏幕的光通量只有3 5 0 1 m 左右，系统光能损耗大，光能利 4 8 x 6 0 x 8 0 5 0 x 3 5 x 8 5 x 8 5 - 2 9 图1 61 2 r f - - l c d 液晶投影显示系统光能利用率 用率低。这是包括l c d 、l c l v 及其他液晶投影显示系统中普遍存在的主 要问题。 除了系统光能利用率外，液晶投影显示系统还要求系统提供均匀的 照明。传统的照明方式，如柯拉照明虽然可以消除光源灯丝像对照明面 均匀性的影响，但由于光源以及照明光束经透镜后的强度分布特性，使 得视场边缘的照度服从c o s 4 0 的下降规律，因而照明面出现中心亮边缘 暗的不均匀现象，同时又受光源辐射方向性、灯丝缺陷和冷反光碗后部 开口等因素的影响，照明均匀性受到进一步的限制。因此，液晶投影显 示系统高亮度高均匀性照明的要求使得传统的光学照明方式已经不能适 应。 从以上分析可知，液晶投影显示的关键是获得一个高能量利用率、 高照明均匀性与高图像显示性能的光学系统。传统的成像光学系统将像 差及像差容限作为系统的评价目标，并以系统能否满足成像质量要求视 为系统的评价标准。液晶投影显示的光学系统则包含成像投影物镜和照 明系统两大部分，成像投影物镜必须满足一定的成像关系和成像质量， 照明系统则必须考虑如何提高光能利用率、照明均匀性以及与投影成象 物镜的匹配问题。以成像质量、光能利用率和照明均匀性共同作为系统 的评价标准，这是液晶投影显示与传统的成像光学系统设计的不同之处。 显然此时采用传统成像光学的设计方法已不足对系统进行全面评价，因 此，有必要引入新的系统评价和分析方法。 1 3 本文的研究内容 本文的研究内容主要是液晶投影显示系统中的分色、合色系统、系 统对比度的分析和照明系统的优化设计。分析和研究的出发点是液晶投 影显示系统的应用研究，将系统的光能利用率和显示图像的均匀性等性 能作为系统的评价目标，采用光线追迹分析法对系统进行系统理论分析、 模拟、优化分析。论文的研究工作是浙江省i 刍然科学基金“投影型光电 显示系统”的重要组成部分。 本文主要的研究内容有： 1 ) 对液晶投影显示系统中常用的两种分色、合色系统一立方 浙江大学硕士学位论文 棱镜分色、合色系统和p h i l i p s 棱镜系统进行比较；在对一般摄影机中 用作分色系统的p h i l i p s 棱镜的基础上，结合p h i l i p s 棱镜分色、和色系 统的实际工作状态( 对s 偏振光分色，对p 偏振光和色，而一般摄影机中 用作分色系统的p h i l i p s 棱镜仅对白光分色) 提出了改进方法，详细阐明 了p h i l i p s 棱镜分色、合色系统的工作原理、设计要求、设计方法；最 后给出了“九五”项目中使用的两种p h i l i p s 棱镜的结构图。 2 )对偏振棱镜对液晶光阀投影显示对比度的影响进行了详细分 析；提出了实用的仿真模型，并使用该模型分析了由于投影光束具有一 定的数值孔径而导致的使偏振分光棱镜的分光特性下降和投影光束经光 阀反射后偏振面的方位与s 、p 偏振方向均有一定的偏离而导致的使偏振 棱镜的偏振消光比下降。针对这一现象，提出了相应的解决办法：在偏 振棱镜和液晶光阀之间加入一块1 4 波片。最后应用数值分析方法，讨 论了系统输出对比度与如下一些变量的关系：入射光为自然光或者具有 一定预偏振、入射光不同的数值孔径、两种不同的系统排布方式、偏振 棱镜和液晶光阀之间加入l 4 波片对提高系统输出对比度的作用。以上 讨论，均给出了详细的数值结果，对于确定投影系统的排布方式有指导 性的意义。 3 ) 对光源及冷反光碗进行模拟与分析。光源及冷反光碗的分析 一直是液晶投影显示的研究重点和研究热点。我们利用已有的对液晶投 影显示系统中应用最为广泛的金属卤化物灯和氙灯的实验结果，在此基 础上，建立体光源和冷反光碗模型。体光源的模拟仿真一直是光学系统 模拟的难点，我们在实验基础上提出光源模型的四点假设，从而依据点 光源一面光源一体光源的步骤建立了光源模型，对光源输出光强分布进 行模拟，并从实验进一步验证了模型的正确性，使系统的模拟仿真具有 最大的可靠性。 4 ) 对照明系统进行优化设计，引入了对照明系统光能利用率和 照明均匀性辅以不同权重进行表征的评价函数。抛开透镜具体的面型， 仅用薄透镜的两个参数：焦距和口径以及薄透镜之间的间距作为优化参 数，采用光线追迹分析法对液晶投影显示照明系统进行优化。将优化结 果与光学仪器中使用的临晃照明系统和柯拉照明系统进行对比，并分析 了临界照明系统和柯拉照明系统在该评价函数中所处的位置。 本文的特色与创新之处有以下几个方面： 浙江大学硕士学位论文 在一般摄影机中用作分色系统的p h i l i p s 棱镜的基础上，结合 p h i l i p s 棱镜分色、和色系统的实际工作状态提出了改进方法。运用棱 镜展开的方法设计了结构紧凑的p h i l i p s 棱镜分色和色系统，阐述了 p h i l i p s 棱镜分色和色系统的设计要求、设计方法和步骤。 通过建立分析模型，并使用该模型分析了由于投影光束具有一定 的数值孔径而导致的使偏振分光棱镜的分光特性下降和投影光束经光阀 反射后偏振面的方位与s 、p 偏振方向均有一定的偏离而导致的使偏振棱 镜的偏振消光比下降，从而对偏振棱镜对液晶光阀投影显示对比度的影 响进行了详细分析；具体给出了入射光为自然光和有预偏振时、入射光 有不同孔径角和不同的系统排布方式时的系统对比度。针对两个降低系 统对比度的因素，提出了解决办法，并给出了数值解。 对液晶投影显示系统中的光源进行了模拟，得到了较为接近实际 情况的光源模型。利用此光源模型，对照明系统进行优化。确定了系统 光能利用率和照明均匀性的定义。评价函数由系统的光能利用率和照明 均匀性构成，并辅以不同的权重。将优化结果与传统的临界照明和柯拉 照明进行了对比，并计算了临界照明和柯拉照明在评价函数中所处的位 置。 论文的研究为液晶投影显示系统的分析及评价提供了一些实践经 验。相信论文的研究工作对液晶投影显示的设计和评价具有一定的参考 价值。 参考文献 1 2 3 4 荣剑英主编，知识经济，中国商业出版社，1 9 9 8 7 o e c d ，以知识为基础的经济，北京，机械工业出版社，1 9 9 7 c a n d i c es t e r e n s ，”知识驱动的经济”，1 9 9 7 ，o e c d 3 b o w r o n 。】b r u n l ，s l i t i n ge t c a p p l i c a t i o n s a n d i s s u e s ：b e y o n dl a p t o p sa n dc a m c o r d e r s ，s p i ev 0 1 3 0 1 4 5 c r c a r l s o na n dr w c o h e n ，v i s i b ilit yo fd i s p l a y e d i n f o r m a t i o nr e p o r t ，o n r - c r 2 1 3 1 2 0 - 3 f ，p 1 6 9 6 s k e r i g a n ，ar e v i e wo ft h ef u n d a m e n t a l so fd i s p l a ys u b s y s t e m 浙江大学硕士学位论文 d e s i g n ，p 3 - i 0 ，v 0 1 2 ，1 9 9 5 7 田志仁，投影显示发展状况( 上) ，光电子技术，v o l l 5 n 0 4 ， d e c 1 9 9 5 ，p 2 5 1 2 5 6 8 e d w a r d h s u p p ，b r i o n c l i f f m a n o r ，p r o j e c t i o nd i s p l a y s ，s i d 1 9 9 7 9 田志仁，投影显示发展状况( 下) ，光电子技术，v o l l 6 n 0 4 ， d e c 1 9 9 6 ，p 1 1 2 1 0 k e n n e t he s a l s m a n ，s a r i f ，i n c ，p r o j e c t i o ns y s t e md e s i g n ： d i s p l a yd e v i c ea n ds y s t e mp e r f o r m a n c et r a d e o f f s ，s p i e ，v o l 3 0 1 4 ，1 9 9 7 ，p 9 8 - 1 0 9 1 1 r g e r h a r d m u l t h a u p t ，g m a h l e r ：l i g h t v a l v ep r o j e c t i o n d i s p l a y si n t r o d u c t i o n ，d i s p l a y ，v 0 1 1 6 ，1 9 9 5 ，p 5 7 1 2 p r o j e c t i o nd i s p l a y s4 t he d i t i o n ，s t a n f o r dr e s o u r c e s i n c 1 3 l e o ns h a p i r o ，p r o j e c t i o ns y s t e mt r a d e o f f s ，i d w 9 7 ，p 7 8 5 7 8 8 1 4 f j k a h n ，p r o j e c t i o nd i s p l a y s ，s i d ，1 9 9 6 1 5 k h y a n g ，m l u ，t w i s t e d n e m a t i cm o d e sf o rl i q u i d - c r y s t a lo n s i l i c o np r o j e c t o r s ，p r o c o fs p i e ，v 0 1 3 0 9 6 ，p 1 2 6 1 3 5 1 6 m r c s t r o o m e r ，l cp r o j e c t i o n ，e u r o d i s p l a y 9 3 ，p 2 4 3 1 7 施善定，黄嘉华编，液晶与显示应用，华东化工学院，1 9 9 3 1 8 国防科学技术报告书，c r t 投影仪驱动的液晶光阀大屏幕显示系 统，浙江大学，1 9 9 8 1 9 j o h nb o w r o n ，t e r r ys c h m i d t ，e t c ，an e wh i g hr e s o l u t i o nr e f l e c t l i q u i dc r y s t a ll i g h t v a l v e p r o j e c t o r ，s p i e ， v 0 1 3 2 9 6 ，9 8 ，p 1 0 5 1 1 5 2 0 g h m o s s ，h i g hp e r f o r m a n c ep r o j e c t i o ns o l u t i o n su s i n gt h e d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ，i d w ，9 7 ，p 8 1 7 8 2 0 2 1 c h o n g - m i nc h a n g ，k u n - w e i l i n e t c ，a n u n i f o r m r e c t a n g u l a r i l l u m i n a t i o n go p t i c a ls y s t e mf o rl i q u i dc r y s t a ll i g h tv a l v e p r o j e c t o r s ，e u r o d i s p l a y 9 6 ，p 2 5 7 2 6 0 2 2 d a v i dt r a v i s ，t o ms t e w a r t ，s t a t i s t i c a lm e t h o d sf o rt e s t i n gt h e v i s u a lq u a l i t yo fd i s p l a y s ，d i s p l a y l 8 ( 1 9 9 7 ) ，p 2 9 3 6 2 3 d 。s t r a v i se t c ，d i s p l a y1 3 ( 1 9 9 2 ) p 1 3 9 一1 4 6 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 4 d a v i da r m i t a g e ，d e s i g ni s s u e s i n l i q u i d - c r y s t a lp r o j e c t i o n d i s p l a y s ，s p i e ，v 0 1 1 6 5 0 ，p 4 1 5 1 2 5 j c y o o ，c p k u n g a n d k t t i a o ，c o m p a c tp r o j e c t i o no p t i c a l e n g i n e ，s p i e ，v 0 1 3 2 9 6 ，p 4 6 2 6 z r z h e n g ，x l i u ，h l ie t c ，c o m p a c t l c dp r o j e c t i o rw i t hh i g h o p t i c a lp e r f o r m a n c e ，s p i e ，v 0 1 3 5 6 0 ，p 8 4 - 8 8 2 7 y n a g a e ，k a n d oe t c ，c o m p a c tl i q u i d - c r y s t a lp r o j e c t o r sw i t h h i g ho p t i c a le f f i c i e n c y ，s i d 9 5 ，p 2 2 3 2 2 6 3 0 王子余，几何光学与光学设计，浙江大学出版社 1 3 浙江大学硕士学位论文 第二章p h i l i p s 棱镜的设计 2 1 概述 在全彩色投影仪中，首先必须把灯源的白色或准白色光分解为 红、蓝、绿三种单色光，分别经液晶板调制后，再将三色光合成， 由投影物镜投影到屏幕上，形成全彩色画面；或者分别由三个投影 物镜投影，三种单色画面在屏幕上重叠，形成全彩色画面。因此分 色、糟色系统在投影系统中扮演着很重要的角色。目前较为普遍使 用的分色、合色系统有：( 1 ) p h i l i p s 棱镜分色、合色系统；( 2 ) 立方棱镜的分色、合色系统。 2 2p h i l i p s 棱镜分色、合色系统的原理 p h i l i p s 棱镜系统是广泛应用于高级摄影机、电视摄象机中的 分色系统。在投影系统中，它既是分色系统，将光源发出的白光分 图1 使用p h i l i p s 棱镜作为分色、合色系统的投影系统 解为红、绿、蓝三色光；又是合色系统，将被三个光阀反射回来的 三色光合为一路。 在上图所示的投影系统中，金属卤化物灯所发出的光首先被偏 浙江大学硕士学位论文 振分束棱镜( p b s ) 分为s 偏振光和p 偏振光，只有s 偏振光被p b s 反射进入p h i l i p s 棱镜系统。蓝光被a b 面反射后在从面发生全反 射，照明液晶板( b l c d ) 。经液晶板反射后的光偏振态变为p 偏振 态，按原光路返回，透过p b s 以后被投影物镜投影到屏幕上；红光 透过a b 面后，在b c 面发生反射，在b c 面发生全反射，照明液晶板 ( r l c d ) ，经液晶板反射后以p 偏振态按原路返回，透过p b s 以后 被投影物镜投影到屏幕上；同样，绿光经液晶板( g l c d ) 反射后 以p 偏振态按原光路反回，透过p b s 以后被投影物镜投影到屏幕上。 由此可见，p h i l i p s 棱镜系统对于s 偏振光来说是分色系统，对于p 偏振光来说是合色系统。 2 3p h i l i p s 系统与立方棱镜系统的比较 图2 使用立方棱镜作为合色系统的投影系统 上图所示的投影系统中，立方棱镜仅作为合色系统。光源发出的 白光首先被两块二向色镜分为三束单色光，每束单色光分别被各自 的p b s 分为s 偏振态和p 偏振态。同样只有s 偏振态被p b s 反射以 后照明个单色液晶板，经液晶板反射以后以p 偏振态进入立方棱镜。 绿光直接以p 偏振态透过p b s ，被投影物镜投影到屏幕上，而蓝光和 浙江大学硕士学位论文 红光需各经过一个1 2 波片将偏振态转化为s 态以后才能被立方棱 镜的两个对角面反射进入投影物镜。 立方棱镜系统相对于p h i l i p s 棱镜系统来说，结构规则紧凑， 且立方棱镜的制造工艺比较成熟。液晶板距离立方棱镜可以很近， 提高了整个系统的抗干扰性能。使用立方棱镜系统有利于缩短投影 物镜后工作距。但是它的分色系统是由三块二向色镜实现，和色系 统由立方棱镜实现，分色与合色是分开进行，彼此独立的，相互之 间影响因素大。除此以外，需要三个偏振分光棱镜和两块1 2 波片 对光束的偏振态进行控制，不利于装夹和调整。立方棱镜尺寸较大， 加工困难。 相对于立方棱镜系统，p h i l i p s 棱镜系统的优点在于分色与藕合 色由同一个结构完成，使分色过程与合色过程的匹配能得到保证； 只需要一个偏振棱镜，大大减少了需要的元件数目，简化了系统结 构，有利于使投影仪减小体积和重量，并且使影响因素相对集中； 加工与装夹都比较简便。使用p h i l i p s 棱镜的缺点在于后工作距较 使用立方棱镜系统更长，且结构安排不规则。不规则的结构使液晶 板不能贴近棱镜出射端面，增加了干扰因素。 2 4p h i l i p s 系统的设计要求 2 4 i 入射角度的确定 如图1 中所示，金属卤化物灯所发出的光首先被偏振分束棱镜 ( p b s ) 分为s 偏振光和p 偏振光，只有s 偏振光被p b s 反射进入 p h i l i p s 棱镜系统。s 偏振光经液晶板反射后偏振态转化为p 态，并 按原光路返回。因此，要求分色膜对s 偏振态和p 偏振态有尽可能 相同的光谱曲线。 一般来说，分色膜由高低折射率材料交替沉积而成，其反射带 宽由如下公式给出： 孥：4 s i n - , l 虹| 九n f q h + r 1 l i 其中 。是反射带宽，r l 。和r l 。是高、低折射率材料的等效导 纳，它们与光线入射角和偏振态有关： 对s 偏振光： t 1 b = n i c o s h 对p 偏振光： n - - t 1 * 2 瓦孬i 由上可以看出，随着入射角的增大，膜层对于s 偏振光和p 偏 振光的等效导纳的差值也越大。因此，入射角增大将导致s 偏振光 和p 偏振光反射光谱的分离。 图飞给出入射角为1 6 。、3 0 。和4 5 。时分色膜的反射光谱。实 线为p 偏振光的光谱曲线，虚线为s 偏振光的光谱曲线。 ( a ) ( c ) ( b ) 图3 分色膜在不同入射角时的光谱曲线( a ) 入射角为1 6 。 ( b ) 入射角为3 0 。( c ) 入射角为4 5 。 浙江大学硕士学位论文 由以上三图可以看出，随着入射角的增大，s 偏振光和p 偏振 光反射光谱线的分离也逐步增大。 p h i l i p s 棱镜用在摄影机中一般只作为分色系统，而且工作在 非偏振状态，通常其入射角约为3 0 。这样能保证光线在图1 所示 a a 面和a b 面发生全反射，并且a a 面保持竖直，正好配合偏振棱镜 的立方体形状。但是在投髭系统中，p h i l i p s 棱镜要对s 偏振光起 分色作用，对p 偏振光起藕色作用，而由图3 可知，入射角为3 0 。 时，同一个膜系对s 偏振光和p 偏振光反射光谱线的分离很大，所 以必须对光线的入射角有所调整。 由图3 可见当入射角为1 6 。时，s 偏振光和p 偏振光反射光谱 的分离很小，因此可以考虑设计入射角为1 6 。的p h i l i p s 棱镜，即