LED微型投影系统光学引擎照明模块的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.74MB 57 页 15积分

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摘要

在投影显示系统中，光学引擎的作用是把电子图像投放到大屏幕，可以说是

整个系统的核心部分。在光学引擎中，照明模块为屏幕提供均匀、明亮的照明效

果。随着投影仪微型化的发展趋势，以及照明级 LED 技术的不断进步，LED 正在

进入投影机光源市场。论文对基于 LED 光源的 LCOS 投影系统的照明模块进行了

分析研究，剖析了 LCOS 投影机的照明引擎内部结构，对照明系统的关键部件利

用Lighttools 光学软件进行了模拟仿真。Lighttools 软件自身具备优化功能，但是

由于优化原理以及方法的局限性，对于复杂的光学系统，其优化效果未必理想，

因此我们利用宏语言 VBA 编程控制 Lighttools 对复眼透镜匀光系统进行了优化，

使照明系统为投影芯片提供了高质量照明光斑。

文章第一章首先对投影显示技术的发展历史做了简要介绍，接着把当前主流

的三种投影显示系统作了介绍。对近年来 LED 的发展做了简单介绍，并阐述了 LED

在投影显示领域的应用以及对领域的影响。

第二章主要研究了非成像光学系统，对非成像光学理论进行了深入研究。介

绍了非成像光学的起源与发展，它与传统的成像光学理论的主要区别。对非成像

光学中的基本术语进行了专业解析。理论分析了光能收集比率、光学扩展量、边

缘光线理论等非成像光学的重要理论概念。

第三章研究了投影显示系统的基础理论。对两种照明方式：临界照明与柯勒

照明做了简要理论分析。重点介绍了 LCOS 微型投影显示系统的照明系统结构，

对投影显示系统的主要技术指标进行了总结分析，并对非成像光学在微投影显示

系统中的应用作了阐述。

第四章对照明系统的组成部件：光源、复合抛物面集光器 CPC、复眼透镜、

偏振分光系统分别做了计算机仿真并对一些部分进行了编程优化，使照明系统性

能有了提高。

第五章对全文工作进行了总结，并对未来 LED 微型投影系统的发展趋势作了

总结并对当前面临的一些问题进行了分析。

关键词：LED 投影显示照明系统复眼透镜 VBA 编程 LCOS

ABSTRACT

In the projection display system,optical engines role is to provide an electronic

image to the big screen,which is the core part of the whole system. In optical engine, the

lighting module provides screen an uniform and bright lighting effect. Because the trend

of the development of miniaturization projectors, and the lighting level LED technology

advances, LED light source is entering into the projector market. the papers did some

analysis and study on LCOS projection system lighting module based on LED light

source，analyzed the internal structure of LCOS projector lighting engine, simulated the

key components of lighting system using Lighttools optical software.Lighttools

software has its own optimization fuction. Due to the limitation of its optimization

mechanism and algorithm, to the complicated optical system, the optimization effect

cannot be the best solution. Thus, we programmed optimization procedure of the fly eye

lens groups through Lighttools interface VBA programming, which provided high

quality illumination light spot for projection chip in projection illumination system.

The first chapter briefly introduced the development history of projection display

technology and the current mainstream of three projection display systems . Then

expounds the application of LED in the field of projection display.

The second chapter mainly studied the nonimaging optical system and nonimaging

optical theory . Introduced the origin and development of nonimaging optics, and the

main difference between nonimaging optics and traditional imaging optics . The basic

of the optical imaging terms are professional analytical. theoretically analized many

important theoretical concepts ,such as the light energy ratio, optical etendue, the edge

theory of optical imaging and so on.

The third chapter researched the the basic theory of projection display system.

Briefly introduced the Critical lighting and kohler illumination. Focusing on the lighting

system of LCOS projection display system,and described the application of nonimaging

opticsin micro projection display.

The fourth chapter did the computer simulation and optimization of lighting system

components: light source, compound parabolic collectors CPC, Fly-eye lens,

polarization spectral system, improved the lighting system performance.

Chapter five summarized the whole work of the papers,and some of the problems

faced in the analysis. Forecast the future of the development trend in LED based

miniature projection system.

KeyWords: LED projection system,Lighting system ,Fly-eye lens,VBA,

LCOS

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..........................................................1

§1.1 投影显示技术历史 .............................................1

§1.2 投影显示技术分类 .............................................2

§1.2.1 LCD 液晶投影技术 ..........................................2

§1.2.2 DLP 投影显示技术 ..........................................3

§1.2.3 LCOS 硅基液晶投影技术 .....................................5

§1.3 LED 投影显示技术 ..............................................6

§1.3.1 LED 的发展以及照明应用 ....................................7

§1.3.2 LED 在投影技术中的应用 ....................................8

§1.4 论文的主要研究内容 ...........................................9

第二章非成像光学理论 ...............................................11

§2.1 非成像光学的发展历史 ........................................11

§2.2 非成像光学主要理论 ..........................................12

§2.2.3 非成像光学基本术语 .......................................13

§2.2.2 光能收集比率 .............................................13

§2.2.3 光学扩展量 ...............................................14

§2.2.4 边缘光线原理 .............................................18

§2.3 本章小结 ....................................................19

第三章投影显示照明系统 .............................................20

§3.1 照明系统理论基础 ............................................20

§3.1.1 临界照明 .................................................20

§3.1.2 柯勒照明 .................................................21

§3.2 LCOS 投影显示照明系统的基本结构 ..............................22

§3.3 投影显示系统的技术指标 ......................................25

§3.4 本章小结 ....................................................27

第四章 LED 投影显示照明系统中的关键元器件设计 ........................29

§4.1 光学模拟软件简要介绍 ........................................29

§4.2 光源建模 ....................................................29

§4.3 复合抛物面集光器 CPC .........................................34

§4.3.1 复合抛物面集光器设计原理 .................................34

§4.3.2 复合抛物面集光器软件仿真 .................................36

§4.4 PBS 偏振光转换系统 ...........................................38

§4.5 复眼透镜建模及其优化 ........................................41

§4.5.1 复眼透镜建模 .............................................41

§4.5.2 复眼透镜 Lighttools 软件优化 ..............................44

§4.5.3 复眼透镜 VBA 编程优化 .....................................45

§4.6 本章小结 ....................................................49

第五章总结与展望 ...................................................50

§5.1 工作总结 ....................................................50

§5.2 LED 微型投影技术展望 .........................................50

参考文献 ............................................................52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................54

致谢 ..............................................................55

第一章绪论

§1.1 投影显示技术历史

在投影机没有出现之前，我们都以幻灯机为主。其实现在的投影机也是特殊

形式的幻灯机，有学者研究表明，投影机、动画、电影的发展是分不开的。最早

利用的光影技术始于十七世纪一个名为阿塔纳斯珂雪耶稣会教士发明的“魔术幻

灯”，后来已经变成玩具，而它的现代名字叫投影机。最初，这种技术主要用在娱

乐上，利用光与影的原理将故事放在一个屏幕上讲，有点类似于唐朝的皮影戏。

但是，后来随着光影技术的发展，投影机与电影、动画分离出来。

其实，早在我国汉代，就已经有了类似幻灯机的典故。据《汉书·外戚传》记

载：汉武帝最宠爱的妃子李夫人死后，汉武帝伤心欲绝、朝思暮想。道士李少翁，

知道汉武帝日夜思念已故的李夫人，便说他能够把夫人请回来与皇上相会。汉武

帝十分高兴，遂宣李少翁入宫施法术。李少翁要了李夫人生前的衣服，准备净室，

中间挂着薄纱幕，幕里点着蜡烛，果然，灯光照射之处的薄纱上投映除李夫人的

影子，“她”侧身缓缓朝汉武帝走来，然后又消失在薄纱上。李少翁实际上表演的

是皮影戏，在纱幕上再现李夫人的形象，这大概是关于投影最早的记载了[1]。

除了古书记载，我们还有更多的实物为证，比如，皮影戏、走马灯等，它们

有的已经成为世界文化遗产，得到了全世界的认可，可以说是古典版的投影仪。

皮影戏和走马灯也可以算是最早的动画片和电影了，因此，从某种意义上说我们

中国与投影有着不可分割的因素。

在投影史上，1640 年可以说是非同寻常的一年。一个名叫奇瑟的耶稣教会教

士发明了一种叫魔法灯的幻灯机，运用镜头及镜子反射光线的原理，将一连串的

图片反射在墙面上，在当时那是了不起的发明，相当的受欢迎，很多人挤破了门

槛想看看是怎么回事。

随着工业革命的蓬勃发展，幻灯机也进入了工业化时代。幻灯机的工业化生

产开始于 1845 年，光源经历了从蜡烛到煤油灯、汽油灯再到电灯的革新。最早的

幻灯片是玻璃制成的，靠人工绘画。在 19 世纪中叶，美国发明了赛璐珞胶卷后，

幻灯片即开始使用照相移片法生产。现在我们见到的大部分幻灯机，就是在 19 世

纪幻灯机的基础上发展改进而成的。

二战后，人类迎来了第三次科技革命，电脑的发明、集成电路的大量出现，

也使投影机进入的数字化时代。1989 年，爱普生和索尼拥有了液晶板的核心技术，

同年，世界上第一台液晶投影机—爱普生的 VPL-2000 诞生，在投影界掀起了一次

LED 微型投影系统光学引擎照明模块的研究

液晶狂潮。巴可、东芝、科视、明基都纷纷推出自己的投影新产品，一时间，投

影界风起云涌。

§1.2 投影显示技术分类

投影显示技术是指由光源发出的光，通过一系列的光学照明系统，将光源的

光均匀的照射到显示芯片上，同时信号通过电路系统在显示芯片上实现色阶以及

灰阶，显示出图像，此后由投影前端的投影镜头将显示芯片上的图象放大投射到

相应的屏幕上的这种技术。由于这种技术突破了屏幕对于影像大小尺寸的限制，

极大地方便了人们的日常工作和学习。进入 21 世纪以来，投影显示技术作为一种

人机交互以及信息流通的窗口，被广泛应用于公司、学校、家庭、影院等等。

CRT(Crystal Ray Tube)，阴极射线管)投影机可以说是现代投影机的始祖。CRT

投影技术可以追溯到上世纪 50 年代，当时主要应用在商务飞机上，用于录影带的

播放。到了上世纪 80 年代，个人电脑（PC）的出现以及发展，使得文本和数据显

示的市场需求越来越大，从而促进了 CRT 技术的飞速发展，其应用领域开始渗透

到会议室、教室、影院等等。80 年代中后期，随着计算机工作站和图形处理软件

的广泛应用，产生了可以投影高分辨率图形和动画的投影机。经过多年的技术革

新，投影显示技术目前已经发展到了一个比较成熟的阶段。基于微显示芯片的投

影显示已经迫使 CRT 投影技术慢慢淡出人们的视野。根据投影机成像原理以及显

示芯片的不同，现代主流投影显示技术可以大致分为 LCD 投影、DLP 投影和 LCOS

投影。我们将对它们进行简单的介绍。

§1.2.1 LCD 液晶投影技术

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示）投影机是液晶显示技术与投影技术

相结合的产物。液晶时一种介于液体和固体形态之间的一种物质。液晶技术利用

了液晶的光电效应，即液晶分子的排列状态受到其外加电场的改变而改变，从而

影响了液晶单元的透光率或者反射率。液晶的种类很多，不同的液晶分子排列顺

序不同，有些液晶在加电场时透明，相反不透明。另外一些液晶分子的特性则相

反。LCD 液晶投影仪利用金属卤素灯或者 UHP（冷光源）提供照明，利用液晶板

控制光。当控制系统产生的电信号作用于液晶时液晶的像素发射管变化，控制了

通过液晶的光的强度、颜色等等，产生具有不同灰度层次以及颜色的信号，再经

过投影镜头把图像传送到屏幕。

TFT-LCD 投影技术(透过式液晶投影)在LCD 投影技术中是发展的比较早，现

在技术比较成熟的一种。目前市场上比较常见的 LCD 投影机是三片式液晶投影机，

如图 1-1。光源发出的白色光经过一系列光学器件到达分色镜，红绿蓝（RGB）三

色光被分离出来以后又分别投射到红绿蓝三块液晶板上。液晶板上液晶板上相应

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摘要：

摘要在投影显示系统中，光学引擎的作用是把电子图像投放到大屏幕，可以说是整个系统的核心部分。在光学引擎中，照明模块为屏幕提供均匀、明亮的照明效果。随着投影仪微型化的发展趋势，以及照明级LED技术的不断进步，LED正在进入投影机光源市场。论文对基于LED光源的LCOS投影系统的照明模块进行了分析研究，剖析了LCOS投影机的照明引擎内部结构，对照明系统的关键部件利用Lighttools光学软件进行了模拟仿真。Lighttools软件自身具备优化功能，但是由于优化原理以及方法的局限性，对于复杂的光学系统，其优化效果未必理想，因此我们利用宏语言VBA编程控制Lighttools对复眼透镜匀光系统进行了优...

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