光学设计

摘要

本文就现在市场上的投影仪情况进行简单分析、对比，并具体对LCOS的照明系统各部分结构进行较为具体的研究讨论。在这篇文章中，由工程光学的研究角度，由投影仪的基本原理入手，通过对个部分的建模和仿真，探寻一种合理的能提高屏幕亮度，照度均匀性的方法。由于时间有限，很多地方都并没有分析得很清楚。当然，这一定程度上是因为投影仪的照明系统本身就是一个比较大的问题。国内外都有对此进行研究，希望能更好的提高光利用率以及成像质量。国内的投影仪技术还相对较为落后。而日本则在这方面走在世界前列。

而笔者在此也表示没有达到自己所期望的目标，以后如果有机会，将继续对这个问题进行了解、研究。

Abstract

This paper the projector on the market now on simple analysis, comparative, and on specific LCOS lighting systems are all parts structure specific research discussion. In this article, from the Angle of engineering optics, the study of the basic principles of overhead projector, through a part of the modeling and simulation, explores a kind of rational can improve the screen brightness, intensity of illumination uniformity method. Because of the limit time, a lot of places don’t analysis very clearly. However, partly because the illuminator systems itself is a big project. Domestic and international groups are studying this, and hope to improve the utilization and image quality. Domestic projector technology is still relatively backward. But Japan is leading in this respect in the world.

But the author in this also say that they have not achieved their desired goal, later if there is a chance, will continue to study and research this problem.

目录

1、引言 (3)

1.1、历史背景 (3)

1.2、投影仪市场现状分析 (3)

2、正文 (4)

2.1、LCOS投影仪的基本结构和原理 (4)

2.2、投影仪各部分元件分析 (6)

2.2.1、反光镜 (6)

2.2.3、光管 (7)

2.2.4、复眼透镜阵列 (7)

2.3、参数计算 (9)

2.3.1、焦距比F决定了照度和通过系统的流量 (9)

2.3.2、对于复眼透镜阵列系统 (9)

2.3.3、PBS分光棱镜 (10)

2.3.4、照明系统的F参数 (11)

3、系统模拟 (12)

4、总结 (13)

参考文献： (14)

1、引言

1.1、历史背景

在会议中或者视听教学场所，演说者为了把自己的意思表达给全体观众，常常将演说内容制作成投影片或者幻灯片，利用投影仪将资料投影到屏幕上，使得观众能清的了解演说者要表达的讯息。公元1839年法国人奥古斯特发明了幻灯机，其结构如图1所示。他将文字或图片制作成幻灯片，利用幻灯机的光学系统将幻灯片上的影响投射到屏幕上。成为历史上第一台静止图像的投影仪。由于其体积小携带方便，至今仍广泛使用。

图 1

随着近年来投影显示迅速发展，投影机的应用范围不断扩大，已经开始从教育等专业市场逐步向家庭，娱乐等新兴市场转移，为了适应市场发展的需要，开发低成本、性能适中、工艺简单的小型投影仪已成为必然趋势。

1.2、投影仪市场现状分析

对于投影仪的评价目前主要从三个方面进行：

1)屏幕上的亮度：单纯依靠改变光源自身功率来提高屏幕亮度的方法是不理想的，目前主要采用提高光源效率，减少光学组件能量损耗和加装微透镜等技术手段来提高亮度。

2)屏幕上照明均匀性：在投影仪的照明系统设计中通常采用两种器件来实现照明均匀化

目的，一是采用成像元件一透镜阵列，另一种是非成像元件一积分光管，比较这两种器件实现照明均匀他的原理，透镜阵列的加工和设计过程过于复杂并且成本高，而积分光管是通过使光线进入其内部后经多次反射后，实现在光管的末端形成均匀的照明的目的，具有结构简单紧凑，造价低廉，高效率等特点。

3)由投影仪投影镜头确定的像质评价。本文着重讨论的是投影仪照明系统设计，主要从前两个因素来考虑完善投影仪照明系统的设计。

目前市场上仍以LCD、DLP与LCOS三类投影机为主。我们对三种投影机的优缺点做一个比较，整理如下表

由于DLP投影机不需要像LCD及LCOS投影机中使用到复杂的光学系统来提升光使用的效率，因此产品拥有小型、轻量化的特性，在可携式与超可携式投影机市场上占有率较高。而LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影显示是一种新型的反射式LCD微投影技术，与穿透式LCD相比，LCOS具有以下明显的优势:开口率高从而光能利用效率高，可以同时保证高清晰度与高亮度化;LCOS的尺寸一般为.07英寸或更小，可以降低系统的成本、物理尺寸以及重量。而且LCOS可以通过像素窄间距化来增加像素数目，提高分辨率，是获得高分辨率的理想途径。

2、正文

2.1、LCOS投影仪的基本结构和原理

LCOS的基本结构如图2所示，带有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)矩阵的硅晶片基板与一透明玻璃基板之间插入液晶的构造组成。MOSFET驱动电路在铝反射镜电极的背面，光阀的全部面积可以对入射光进行调制。因此像素窄间距化、增多像素数目不会降低开口率，同时可以得到高清晰化与高亮度化。目前LCOS像素间距已经微细化到7.6unl，像素数达到SXGA也已经产品化。