LCoS微型投影儀光引擎的幾大關鍵技術研究.pdf

1、微型投影光引擎作為微型投影儀的核心部件，可以較好地實現信息顯示的便攜性與分享性，有望在種種平臺上實現大規(guī)模的應用。而白光濾光片型硅基液晶芯片(Color-Filter Liquid Crystal on Silicon，CF-LCoS)光引擎因其可以用白光LED進行照明、光學系統簡單、組裝方便、成本較低易于推廣等特點，有望獲得更為廣泛的應用。如何根據當前白光LED與CF-LCoS特點，設計體積小、均勻性好、能量利用率高光引擎成為近幾年業(yè)

2、內爭相研究的重點。
　　波前編碼免對焦鏡頭理論主要涉及的是三次相位板，而相干成像過程中牽涉到的二次位相因子，實際上同三次相位板是存在緊密的關聯。基于此原因，本論文首次嚴格推導了相干成像系統的透鏡成像公式，并就其中與標定倒置理想像(Geometrical-Optical Predicted Image，GOPI)相乘的二次位相項(Quadratic Phase Term，QPT)消除條件進行了深入研究。從點擴散函數(Point Sp

3、read Function，PSF)與QPT引發(fā)的余弦和正弦相位項卷積原理出發(fā)，研究了該QPT可消除條件。該條件包含物尺寸限制條件和菲涅爾數限制兩個條件。最后編寫MATLAB程序，用均勻照明、方波、正弦波與三角形輸入等四種GOPI模擬了兩個限制條件，得到了與理論分析完全一致結果。這一推導可望在后面的波前編碼免對焦鏡頭研究過程中將波前編碼板三次位相因子同二次位相因子綜合考慮，從而提升波前編碼技術理論研究的深度。
　　作為光引擎第一個

4、研究重點，論文根據LED發(fā)光特性以及CF-LCoS微型投影系統的特性，從成像光學的角度導出了復眼照明系統的基本成像公式。在此基礎上根據CF-LCoS目標區(qū)域的尺寸及其對光束入射角要求，LED經整形透鏡整形以后的光斑尺寸與發(fā)散角，根據推導的復眼系統的基本成像公式計算LED復眼照明系統的初始結構，然后利用復眼照明系統中的多重共軛成像關系，將復眼成像、中繼透鏡分別利用成像軟件進行直接優(yōu)化，最后將兩者通過孔徑與中間像匹配原則同復眼陣列在成像軟件

5、中組合在一起，成功設計了大照明角度下的CF-LCoS復眼照明系統。系統以較小的復眼數，在保證CF-LCoS照明條件下，比較好地解決了照明系統效率同大角度的問題。這種成像光學優(yōu)化方法較之傳統的手工編寫代碼計算方法要簡單和準確。非成像軟件的模擬結果證明該方法得到的結果正確、均勻性好、效率高。論文最后設計并制作了CF-LCoS微型投影儀實驗樣機，進一步驗證了本文所提方法的正確性和有效性。
　　作為光引擎第二個研究重點，論文以在國內外首先

6、提出的光棒(Light Pipe)偏振復用思想為基礎，進一步研究了LED相對光棒中心位置存在偏置時光棒對LED的角度分割與虛像形成原理，并利用成像光學軟件模擬了偏置LED照明光棒時虛像的形成過程。根據此原理計算了不同偏置LED與不同LED尺寸情況下的光棒尺寸，再將計算所得的光棒尺寸與前端成像透鏡、中間像面偏振復用系統(Polarization Conversion System，PCS)（第一次用平板等效代替）、后端積分透鏡、偏振分束器

7、(Polarization Beam Splitter，PBS)等利用成像光學設計軟件進行綜合優(yōu)化。最后將優(yōu)化結果輸入到非成像光學軟件，得到光棒虛像陣列的中間實像以確定PCS具體結構以實現與該實像陣列匹配，確保LED發(fā)散角范圍內光能高效收集、均勻照明以及偏振復用。論文最后設計了一款使用白光LED為光源的CF-LCoS微型投影光引擎，在1瓦功耗下實現8流明投射亮度，均勻性達到92％。相對于沒有應用偏振光復用的微型投影光引擎，在保證均勻性的

8、前提下，大大提升了微型投影系統的光效。
　　作為光引擎第三個研究重點，論文最后研究了CF-LCoS投影光引擎的離焦不敏感長景深鏡頭以滿足投影光引擎不需要調焦機構的需求。新設計的鏡頭，在0.65m-2m的范圍內，其MTF仍然滿足CF-LCoS分辨率的要求，從而實現投影鏡頭的免調焦。這一鏡頭的研究有望大大簡化微型投影系統的結構，進一步縮小微型投影系統的體積或尺寸。
　　本博士論文的主要創(chuàng)新性體現在:
　　1)論文首次從理論

9、同數值模擬上證明了相干成像中二次位相因子可以省卻的兩個條件，并取得了與理論研究一致的模擬結果;
　　2)首次根據入射光束角與目標像斑尺寸，推導了復眼子眼的參數計算公式，利用復眼照明系統中的多重共軛成像關系，將復眼成像，中繼透鏡成像分別根據CF-LCoS要求進行單獨優(yōu)化，最后將兩者通過孔徑與中間像匹配原則進行復眼陣列組合，成功設計了大照明角度下的CF-LCoS復眼照明系統與微型投影系統;
　　3)首次研究了LED相對光棒中心位