辐射与发光 光源与照明光学

TM923．01 2005031431 改进宽银幕投影照明系统的设计方法=Method for impro- ving the performance of wide screen projection display illu- mination system[刊,中]／周杰(浙江大学现代光学仪器国 家重点实验室．浙江,杭州(310027)),林宇翔…∥光学学 报．-2005,25(2)．-224-227 传统的复眼照明系统设计方法中,复眼小透镜具有与 液晶板相同的长宽比,可以获得能量利用率和均匀性都比     

复眼透镜提高液晶投影照明系统的能量利用率

照明系统是液晶投影仪的重要组成部分．它将直接影响到投影仪的光能利用率以及色彩等系统性能。对于复眼照明系统,复眼透镜的良好设计可以大人提高系统的能量利用率。在对液晶投影照明系统的原理进行分析的基础上,提出了两种复眼透镜的设计方案。两种方案均采用矩形子复眼,便于设计和加工。通过对复眼透镜中每个子复眼进行偏心以及改变其形状大小来提高系统能量利用率。计算机模拟结果表明,两种设计方案与传统设汁相比,在光能利用率上分别提高了16．5％和26．3%,并且具有较高的均匀性。最后,还对两种复眼透镜的设计方案进行了分析和比较。     

液晶投影显示复眼照明的容差模拟分析

介绍了液晶投影显示复眼照明的工作原理,采用扩展4×4矩阵模型描述了复眼照明,以能量利用率和照明均匀性作为系统的评价标准,对复眼透镜的制造误差和位置误差进行计算机模拟分析,分析表明,双排复眼透镜相对位置误差对系统性能影响大于加工误差,而第一排复眼透镜的加工误差对能量利用率的影响大于第二排复眼透镜,第二排复眼透镜的加工误差对照明均匀性的影响大于第一排复眼透镜.     

一种应用于LCoS光机的复眼照明系统仿真设计

复眼照明系统利用复眼透镜，可实现高亮度和较好的亮度均匀性，并且有较成熟的偏振处理方法，在投影系统特别是基于偏振光的投影系统中能提供比光棒照明系统更加高的亮度和好的均匀性的画面，使得光能利用率和图像均匀性有了较大的提高。在对复眼照明系统的原理进行分析的基础上，设计了一种用于投影光机的复眼照明系统，并用Matlab对该系统进行了光线追迹的仿真程序设计。对复眼照明系统的光线追迹进行了仿真。实际应用证明，在LCoS中采用本方案设计的照明系统比光棒照明系统具有更高的亮度和更好的均匀性。     

辐射与发光 光源与照明光学

TM923．3 2005020853 液晶投影显示复眼照明的容差模拟分析=Tolerance anal— ysis on fly’s eye illumination system of LCLV projector [刊,中]／郑臻荣(浙江大学现代光学仪器国家重点实验 室．浙江,杭州(310027))//光子学报.-2004,33(5).- 593—597 介绍了液晶投影显示复限照明的工作原理,采用扩展 4×4矩阵模型描述了复眼照明,以能量利用率和照明均匀 性作为系统的评价标准,对复跟透镜的制造误差和位置误     

双远心数字条纹投影的光学系统设计

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题,设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统,实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标;设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统,在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%,且能量利用率为45.8%;设计了双远心结构的投影光学系统,投影视场为66.5mm×37.5mm,并在全视场范围内分辨率在8lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型,仿真结果表明,被投影区域均匀性为90.8%,投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀,综合提高了3D自动检测系统的投影质量。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

DMD微投影显示的LED光学引擎设计

提出了基于矩形CPC的微投影显示匀光方法,设计了由LED、CPC、矩形复眼透镜及微显示芯片DMD构成的光学引擎。利用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件分析了圆形CPC和矩形CPC对微投影显示匀光效果、光能利用率的影响。实验结果表明基于矩形CPC的光学引擎相对于基于圆形CPC的光学引擎有如下优点:体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率高达到43%以上,满足微显示芯片DMD的要求。     

复眼透镜阵列应用于均匀照明系统的特性研究

研究了复眼透镜阵列实现均匀照明的原理,模拟分析了复眼透镜的列数、入射光发散角、光源尺寸对照明效果的影响。仿真表明,入射光的发散角越小,光源尺寸越小,照明效果越好,而且适当地选取复眼透镜的列数能提高照明效果。     

基于自由曲面阵列的激光投影显示照明系统设计

纯激光光源的投影产品是显示技术发展的未来趋势之一。为了使用多个激光二极管作为光源实现大功率的均匀照明,设计了一种激光照明系统,在基于自由曲面阵列的匀光系统前增加两个透镜和圆形光棒以进一步提高目标面均匀度。激光阵列经准直后会聚到圆棒中传输,再经过透镜准直出射,通过自由曲面阵列后经场镜会聚到目标面上,形成均匀的照明区域。借助软件仿真模拟后发现:引入圆棒混光后,目标面均匀度从77.59%提高到90.99%。此外,还对自由曲面阵列单元的形状进行了研究,结果表明,相比于正方形的结构单元,选取与目标面长宽比一致的自由曲面单元可以得到更好的均匀度。     

新型自动立体显示背光板的光学设计

立体显示技术的研究主要是解决虚拟现实领域的三维视觉问题。自动立体显示是不需要配戴特殊眼镜的,使用一个二维平面空间显示屏显示至少一对满足双眼视差的立体图像。当人的双眼接受到具有视差的立体图像对时,在视网膜上形成视差像,经大脑神经系统的融合,从而产生深度感。提出了一种全新的实现自动立体显示的折射式方法,设计了基于此方法的一种新型折射式的、结构简单的、通过透射显示屏(如液晶显示屏)实现自动立体显示的背光系统。根据视差立体显示参量模型,建立了光学系统的结构参量以及分析了光学材料的性质对实现立体显示的影响,并运用先进的光学设计软件进行设计、模拟。     

Hybrid diffractive-refractive 67°-diagonal field of view optical see-through head-mounted display

Design of a wide-angle off-axis optical see-through head-mounted display (HMD) becomes a challenge since its weight and size are constrained by human factors. Diffractive optics has the potential to play a key role in several areas of head-mounted display. They can reduce size and weight while providing some unique functions that would be difficult to implement with conventional refractive optics. This paper presents a 67°-diagonal field of view, wide spectral band hybrid diffractive-refractive see-through head-mounted display (HMD) using off-axis optics. It possesses a 10 mm exit pupil and a 22 mm eye relief, and satisfies the requirements of human factors. The whole optical system is suitable for a 20 mm-diagonal color liquid crystal display (LCD) with XGA resolution.     

60°对角视场的折/衍混合透视型头盔显示器

分析了离轴、大视场角透视型头盔显示器光学系统的设计方法，提出了利用衍射光学的独特性质设计了大视场、宽波段、离轴折/衍混合透视型头盔显示器光学系统.该系统具有10 mm的出瞳直径和22 mm的出瞳距离，且满足人因素要求.另外，该系统色差仅14 μm，系统口径小于46 mm，满足双目视觉要求.整个系统适合具有15 mm对角直径SVGA分辩率的彩色液晶显示器（LCD）.     

激光投影显示中光棒匀光的照明光路设计

在方棒照明系统的基础上,根据激光光源的发光特性和准直性,设计了一款用于激光投影显示的,基于光棒匀光的照明光路系统。此系统具有结构简单、开发周期短、加工成本低的优点。仿真结果表明:设计的激光投影机光能量利用率达到78%,均匀度达到85%,满足激光投影显示中对集光和照明的设计要求。     

超轻小型投影式头盔显示系统折-衍混合物镜设计

在一个7片物镜的基础上,设计出一个折射和一个5片镜的折衍混合投影物镜系统,并给出了详细设计过程及性能评价。系统针对33.02 mm(1.3英寸)微显示器设计,视场为56°,出瞳直径为10 mm,出瞳距离为25mm。设计的折射系统和折衍混合系统的镜头直径分别为28 mm和22.4 mm,重量分别只有33 g和11.9 g,且最大畸变分别为3.2%和0.17%,分辨率满足SXGA显示模式。两系统均满足投影式头盔显示器在交互环境、医学可视化训练和数字化个兵等领域的使用要求。     

通用型数字鱼眼镜头检测系统的设计

设计了一种通用型数字鱼眼镜头检测系统,由照明系统、检测标板、等效平行平板系统和球幕组成。照明系统内部设有平面反光镜、柱体蝇眼透镜阵列、准直物镜,起到了缩小系统体积,提高光能利用率和照明均匀性,以及实现照明光斑大小尺寸可调的作用。其球幕内壁刻有角度分划尺,用于测量被测镜头的视场角。测试系统的照明视场范围为φ8.1 mm~φ36.3 mm,照度均匀度达到91%,光通量大于5 000 lm,且大小可调。检测系统可实现对芯片尺寸为0.55″~1.55″的1DLP、3DLP、3LCD、3LCOS的各种类型的数字投影或放映鱼眼镜头的像方视场角、分辨率、彩色还原性能、色差等性能和放映效果进行测试,降低了检测成本,通用性强。     

微型投影机光学引擎的研究

设计了一种针对个人用户使用的微型投影机光学引擎,系统为单片式数字光线处理器结构,采用红绿蓝三色大功率高亮度发光二极管作为光源,使用X棱镜作为合色元件,从而实现38.1～50.8 cm的彩色投影显示.对设计结果进行理论分析后可知,设计结果满足投影显示对颜色的要求,光学引擎的理论效率为16.1%.同时利用Light Tools仿真软件对系统进行建模分析,300万条光线追迹仿真的结果表明,光学引擎的效率为14.6%,与理论分析结果基本符合,屏幕上光通量为22.8 lm,其美国国家标准协会规定的九点照度均匀性达到91.55%和-93.36%,满足设计要求.     

多视点自动立体液晶屏的研制

为了研制出不需要立体眼镜，且兼容平面显示的自动立体显示屏，利用液晶制作出透光狭缝，放在面板和背光源之间，使之加上电压时只有狭缝透光，背光变成一排平行的线光源，照射液晶屏时每个光源对应4列子像素，左右眼只能看到不同像素，进而产生立体感。不加电压时背光变成面光源，和普通液晶显示屏一样显示平面图像。为了减少面板表面防眩偏振片的影响，用减反射涂层覆盖防眩偏振片。通过改变普通液晶屏的背光，以及对普通液晶屏表面进行处理，制作出了4个视点的立体显示屏，实现了立体显示和平面显示的切换。该技术方案可满足批量生产的要求。