用于LCOS显示系统的偏振分光器件仿真

目录

1.绪论 (1)

1.1课题研究背景 (1)

1.2LCOS激光显示现状与发展 (1)

1.3本设计的主要内容 (2)

2 投影显示系统的分类和工作原理 (3)

2.1投影显示系统的分类 (3)

2.2投影显示的实现方式 (3)

2.2.1CRT投影技术 (3)

2.2.2LCD投影技术 (4)

2.2.3DLP数字投影技术 (4)

3 LCOS投影显示技术 (6)

3.1LCOS投影显示技术的发展历史 (7)

3.2LCOS投影显示技术的成像原理 (8)

3.3LCOS投影技术的优势 (9)

3.4LCOS面临的问题 (9)

4偏振转换系统 (11)

4.1光的偏振特性 (11)

4.2偏振分光器 (11)

4.3PBS的加工要求 (12)

4.4PBS应用 (13)

4.5偏振光转换器 (14)

5软件仿真 (16)

5.1ZEMAX软件 (16)

5.2系统设计 (17)

5.3仿真结果分析 (23)

6 总结 (26)

6.1系统的不足 (26)

6.2对未来的展望 (26)

参考文献 (27)

致谢 (28)

1.绪论

1.1课题研究背景

同液晶、等离子等新型显示技术相比，LCOS(硅基液晶显示)技术有其自身的突出优势，也早已被业界普遍认为是最适合我国发展的新型大屏幕数字显示技术。近10年来，从LCOS技术在中国的萌芽，到中国电子视像行业协会大屏幕投影显示设备分会牵头组建我国第一条产业联盟，直至今天国内LCOS产业链的初步形成，LCOS在我国的发展经历了一个艰难的历程。

目前，LCOS技术(包括DLP、LCD技术在内)的照明系统普遍采用UHP灯源(超高压汞灯)，由于其固有的结构和物理特性，使得LCOS背投电视存在光源寿命不足的问题，也无法与液晶、等离子技术的轻、薄优势相抗衡，这与国内外家用电视市场普遍认可的消费特点和趋势产生难以化解的矛盾，生存环境不容乐观。

近年来，以激光作为光源的新型显示技术崭露头角，被业界称为第四代显示技术。在国家863计划、中科院知识创新工程等的大力支持下，我国在激光显示核心技术上正稳步走向成熟，整体处于世界先进水平。2008年，作为我国最重要的激光显示技术研究和产业化单位，北京中视中科光电技术有限公司首次在国内推出拥有我国自有知识产权的激光光源数字电影设备，标志着激光显示技术的应用在我国取得重大突破，激光光源应用于LCOS技术的梦想也不再遥远。此举可有力地改变LCOS技术产品光源寿命短、光学引擎照明系统体积偏大的缺陷，有效提升LCOS技术的竞争力。

1.2 LCOS激光显示现状与发展

（1）从事研发与生产LCOS投影显示设备与配套件的地区与企业逐渐增多。

（2）研发与生产LCOS成像器件的生产线已经建立起来或正在建设，有的企业已经过国家发改委项目验收。

（3）LCOS投影设备气体光源超高压汞灯自主研发成功，并投入生产，已有一定数量合格，产品供应整机企业与维修单位。

（4）LED光源正越来越多的用于MD投影机、背投影机、微型投影机、大屏幕拼接显示屏。特别是大家对提高LED光源发光效率采取很多创新措施[1]，有的还采取LED 与激光器件组成混合光源，既发挥各自优势，如色彩、寿命同时又降低成本。

（5）LCOS投影式激光显示设备的主要部件光学引擎已有数家企业生产出合格产品，并组装成整机供应市场。

（6）一些光学器件企业都能生产出合格产品，供应光学引擎企业与整机企业生产光学引擎和整机。

（7）几家背投屏幕企业已经建立起来，现在正在改进产品质量，努力满足整机企业需求。

（8）整机企业研发与生产出多种型号整机供应市场，并在开辟市场工作中取得了一些经验。

（9）一支产学研相结合的科研、生产的工程技术人才队伍已经形成。

MD投影式激光显示产业从发展前景来看前途是光明的[2]。随着激光光源技术发展，MD投影产业将发生巨大变化，甚至是革命性的。由于投影式激光显示可以覆盖90%的色域空间，它“将视频显示的高保真推向最高阶段，是二维显示的完善终结技术”，“是一场视觉革命”。特别是“天作之合”的激光光源与LCOS投影相结合的LCOS投影激光显示产业既符合循环经济原则，又是“加快培育和发展战略性新兴产业”，为我国显示产业实现跨越式发展的带来机遇，是我国显示产业发展的方向。

1.3本设计的主要内容

激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎和屏幕三部分组成。光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成，光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。LCOS投影机图像调制原理是以光调制来控制投影显示图像。入射光线在分光后，经过入射偏光板(PBS)，将入射光变成S偏光，经LCOS板反射调制。如果液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，S光会变成P光，经棱镜透射后，有最多的光投射到会聚透镜会聚成像。处于显示暗电平时，S光经调制，依然还是S光输出，经棱镜没有光透射到会聚透镜，图像显示为暗电平。

2 投影显示系统的分类和工作原理

投影显示的特点：投影显示图像呈现在显示器件上后又被光学系统放大，最终在投影屏幕上显示出被放大了的图像，因此，投影器件本身的尺寸大小与所能显示的图像尺寸大小是不一致的。

相比之下，信息显示技术发展另一大分支直视型显示器件所显示的图像时呈现在显示器件上，人们是直接在显示器件上来观看图像，显示器件的几何尺寸与所显示的图像的尺寸大小基本一致。

2.1投影显示系统的分类

前投：投影设备与观看的人处于屏幕的同一侧，人眼在屏幕上看到的事反射光线产生的图像。由于反射光线是在空中传输的。因此，图像质量受环境影响较大，仅在观看环境为黑暗（比如电影院这样的场所）时，图像质量才较好。

背投：投影设备与观看的人处于屏幕的两侧，人眼看到的是透射光线。由于投影光线在一个封闭的暗室内传输，不受环境光影响，因此即使在明亮的灯光下，背投的图像质量依然较好，但它的缺点是需要占用一定的空间。

2.2投影显示的实现方式

2.2.1 CRT投影技术

CRT（Cathode Ray Tube）是阴极射线管。是应用较为广泛的一种显示技术。CRT 投影机把输入的信号源分解到R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，在高压作用下发光信号放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。光学系统与CRT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机。

CRT投影机可以说是投影机的鼻祖。CRT投影机也叫三枪投影机，其工作原理与CRT显示器没有什么不同，其发光源和成像均为CRT。虽然CRT投影机的工作特征与LCD、DLP等投影机有本质区别，且CRT投影机与LCD投影机同属传输型投影机，但CRT投影机是本身发光，是由阴极射线电子束扫描击射在成像面上，使成像面上的荧光粉发光形成图像后，再传输到投影面上。因此，CRT投影机具有CRT技术中成像的所有优点和缺点。即CRT投影机分辨率高、对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强，且技术十分成熟。特别是CRT投影机在采用当前技术先进的CRT新型荫罩后，亮度也有了较大提高。但CRT投影机毕竟是由成像面上荧光粉发光后再投影到屏幕上的，