毕业设计论文液晶投影光学系统的工作原理及投影物镜的研究

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1、华中科技大学文华学院毕业设计（论文）题目：液晶投影光学系统的工作原理及投影物镜研究学 生 姓 名： 学号： 学 部 （系）： 信息学部 专 业 年 级： 光信033班 指 导 教 师： 职称或学位： 教授 2007年 06 月 10 日I目 录 摘 要(4号)IAbstract(4号)II1. 绪论（4号宋体）11.1 引言11.2 国内外研究现状与发展趋势11.3 研究的内容21.4 研究的目的与意义32. 液晶投影显示的结构及工作原理42.1 系统基本原理与组成42.2 液晶显示的分类讨论73 LCOS系统研究123.1 概述123.2 LCOS投影原理123.3 LCOS的特点154 L

2、COS投影系统物镜设计的研究184.1 LCOS投影系统对投影物镜的要求184.2 投影物镜类型的选择194.3 投影物镜初始设计研究204.4 LCOS投影物镜像差的研究214.5 投影物镜设计实例分析235 结 论29致谢（4号黑体）30参考文献（4号黑体）30液晶投影光学系统的工作原理及投影物镜的研究摘 要基于液晶光阀的投影显示技术具有高亮度、高分辨率、数字化等优点，近几年得到了飞速发展，具有非常诱人的市场前景。随着数字电视和高清晰电视（HDTV)标准的确立以及DMD和LCOS等空间光调制器技术的成熟，投影显示技术具有更加广泛的应用前景。投影显示系统的光学引擎，是系统的主要组成部分，并且

3、直接影响到系统的最终性能，因此实现光学引擎的光学总体设计是这一系统的关键。本文分析和研究的出发点是液晶投影显示系统的研究，主要工作集中于投影系统的结构和光学引擎的研究分析，通过大量资料的查阅和典型结构的分析来认识和改进系统。关键字：投影显示； 光学引擎； LCOS； 投影物镜 The research of projection display optical systems function and projection lensAbstractBased on liquid crystal light valve projector display technology with high

4、 brightness, high-resolution, digital advantages, in the past few years have seen rapid development, very attractive market prospects. With digital television and high-definition television (HDTV) standards and the establishment of DMD and LCOS spatial light modulator the maturity of the technology,

5、 projection display technology is more widely used. Projection Display systems of the optical engine is the main component, and a direct impact on the final performance, Therefore optical design of the optical engine is the key to this system. This paper analyzes and studies the starting point is th

6、e LCD projection display system study mainly focused on the projection system and the structure of the optical engines, through information for the inspection and analysis of a typical structure to understand and improve the system.Key words：Projection Display; Optical engine; LCOS; Projection Lens2

7、81 绪 论1.1 引言液晶投影显示系统是20世纪80年代末开始兴起的一个新兴产业，广泛用于教学、会议、政府、影剧院、娱乐、金融、司法、交通运输和信息交流。大屏幕投影系统由投影机和投影屏幕两部分组成。它们的特点是：(1)画面尺寸不受硬件设备(投影机)和空间的限制，只要调整投射距离，就可改变画面大小；(2)图像清晰、色彩鲜艳，可与电影放映机的大屏幕图像媲美；(3)携带方便，安装简单，适合各种场合使用；(4)性能价格比高，投影显示器是利用光学投影方式将图像投射至大尺寸屏幕上，其光学系统中使用的图像调制器件，先前较为普遍的方式是使用CRT(阴极射线管)直接作为光源与图像，近期则是利用灯炮产生光源，再

8、利用LCD（Liquid Crystal Display）或DMD(Digital Micromirror Device)等光源调制器件来控制投影图像，达到大屏幕显示目的。使用LCD作调制器件称为液晶投影机(LCD Projector)，使用DMD作调制器件为DLP(Digital Light Processing)投影机。液晶投影机的基本原理，是利用LCD来调制光源发射出来光信号，为了投射出图像的色彩，常将光源分离成R、G、B三色分别加以控制，再将R、G、B三色图像合并成要投影的图像，然后利用投影镜头投影至屏幕上。1.2 国内外研究现状与发展趋势随着液晶显示技术的开发与发展，1970年TN（

9、Twisted Nematic）LCD的发现，液晶作为液晶显示材料，迎来了实用化的新时期。液晶显示器因具有薄、轻、省电、美观等特征。故在手表、计算机、游戏机、导航显示器、语言处理机、办公自动化设备及壁挂式大屏幕彩电等方面，得到了越来越广泛的应用。 在世界范围内，日本的液晶显示产品独领风骚，处于世界领先地位。以金额计算，日本产品约占世界市场的80-90%。在数量上，从LCD的整体发展看，在日本国内市场，年平均增长率9%；日本在出口方面，平均年增长率约为6%，近几年，韩国和台湾的LCD发展迅速，已经在国际市场上有一席之地。我国液晶显示技术研究始于1969年，基本上与世界同时起步。70年代初，清华和

10、长春物理所率先研制出液晶显示屏，但一直到80年代LCD研究都没能列入国家科研攻关项目，经费不足，研究工作出现低潮，拉大了与国际先进水平的差距。只是到了90年代，情况才有所改善，LCD相关机构发展到10多家，但是大部分机构的研究开发力量仍然比较薄弱，因此我国现有的LCD产业同先进国家相比，整体水平落后10-15年，面临主要问题是：产品技术档次偏低、多数企业生产规模小，产品单一，设备简陋。目前我国已经有一些高校、研究机构、企业已经介入到液晶投影显示领域的研究和开发上，并做了大量的工作，为我国开展投影显示领城的工作奠定了良好的基础。这些单位主要有:上海交通大学、南开大学、浙江大学、上海华显数字显示技

11、术有限公司、浙江大学科特光电科技有限公司、广东南海光电科技有限公司、上海广电、深圳康佳、广东创维、TCL、青岛海信等。这些单位的工作几乎包含了液晶显示所有方面，但由于它们的工作基本上是各自为战，没有形成合力，使得我国投影显示技术的总体水平较低，这种状况同时有限制了显示技术单个领域的发展，即不可能脱离整体独立发展。投影镜头是高清晰度投影显示的关键器件之一，投影镜头的质量和投影图像的质量有密切的关系。国内在基于球面透镜的镜头设计、加工上具备很强的实力，居世界领先地位，在基于非球面透镜的镜头方面，国内虽然具备设计能力，但在非球面透镜的加工上，国内与国外尚有一定差距。1.3 研究的内容本文作者在毕业设

12、计过程中，对本课题作了以下几个方面的工作：（1）液晶对作者来说，是十分陌生一种材料。在此之前，作者对此一无所知，所以，作者的首要任务就是学习液晶这种新型材料的基本知识，学习液晶材料的光电特性，学习液晶显示的基本原理。为此作者查阅了大量的资料和文献；（2）研究液晶投影显示器的基本构成和它的工作原理，并对几种典型系统进行了分析；（3）本文主要研究LCOS（ Liquid Crystal on Silicon）投影系统。研究LCOS器件的结构和工作原理并对几种系统进行了分析；（4）本文的重点是研究LCOS投影物镜的设计， 局限于目前毕业设计的条件（没有作光学系统设计的软件）和毕业设计的时间，本文主要

13、在查阅资料的基础之上，对LCOS系统投影物镜的设计做了比较详细、深入的研究。这包括：LCOS投影物镜特殊的使用要求、物镜基本类型的确定、光焦度分配的计算、物镜需要矫正的几种像差最后，以文献上提供的一些LCOS系统的投影物镜的实例进行了比较深入的研究。 1.4 研究的目的与意义信息技术在中国的飞速发展拉动了终端显示设备市场的发展，同时未来几年中国传统模拟电视向数字电视的过渡，以及2008年的奥运会的举办也将为显示设备带来空前的机遇。从国内外的发展形势看，LCOS芯片几乎是国内唯一可能开发的投影显示芯片，在国外发展LCOS技术的同时，我国几乎同步地开展了对LCOS投影显示芯片的研究，LCOS成品率

14、提高速率和市场降低空间都远高于DMD芯片，且DMD制作的投影系统其知识产权被美国公司垄断不宜介入，而传统LCD投影的性能进展有限，LCOS无疑是未来投影仪市场的最具有潜力的竞争者，也是我国欲突破美国公司、日商关键零组件障碍的最大希望。此外，本文作者对液晶这门学科了解甚少，从学习液晶这种材料的基本知识、液晶显示的基本原理，液晶投影显示器的基本构成和它的工作原理，典型系统的结构，本文作者本身就有非常浓厚的兴趣，为全面深入的研究，作者必须结合自己所学课程专业知识和查阅大量资料，这样不仅对作者的所学知识得以巩固，而且让作者知识结构更加完善。2 液晶投影显示的结构及工作原理2.1 系统基本原理与组成液晶

15、投影的原理是把光源发出的光束照射在小型液晶元件（光阀）上，再将此元件上形成的图像用投影光学系统放大投影到屏幕。液晶投影的基本原理如图21所示：是利用LCD来调制光源发射出来准备投影到屏幕上的光信号，而为了能准确投射出图像的色彩，常将光源分离成R、G、B、三色分别加以控制，再将R、G、B三色图像合并成要投影的图像，然后利用投影镜头投影至屏幕上。图2-1 液晶显示的基本原理液晶投影光学系统也称为光引擎，是液晶显示系统的重要组成部分，它的基本构成如图2-2所示：光源照明光学系统液晶光阀投影光学系统屏幕 图2-2 液晶投影显示基本框图2.1.1 光源其主要功能让光线能大量且均匀的通过液晶光阀，充分利用

16、光源的大部分光能使屏幕画面亮度最大化，均匀度最佳，近年正在向小型、轻便、高亮度方向发展，作为投影仪光源用的灯有超高压水银灯、金属卤化物灯、氙灯及卤素灯四种。其中前三种是利用放电发光的灯。作为投影仪的光源则必须使用短弧型的灯。后两种灯是液晶投影仪开发初期的主流光源，现在用在特别廉价的液晶投影仪的光源。2.1.2 照明光学系统由光集成器、偏光变换光学系统、分色镜的色分离光学系统以及聚集透镜等各种透镜系统组成，其功能要求光阀必须具有均匀的照明以及良好照明效率。很好的与投影光学系统配合。由于现在数字化投影仪所需要的照明均匀性要求越来越高，过去的柯勒（Kohler）照明的基本照明系统已满足不了现在的要求

17、，为改善这一情况现在加入聚光光学系统。该系统使光强度分布的更加均匀，再由于使用液晶板作为光阀需要特定偏光方向的光束，所以加入偏光变换光学系统来实现。下面分别对上述部件进行讨论：（1）基本照明系统图2-3是在幻灯机等当初的投影仪中，作为均匀、高效的照明方法所使用的最传统的照明系统。这就是柯勒照明的基本照明光学系统的构成， 图2-3 基本照明系统在该照明系统中，光源与投影透镜的入射孔在光学上是共轭关系，光阀则位于将光源作为物点时光学系统的中心孔位置。但是这种照明方式对于现在数字化投影仪所必需的照明均匀性的要求来说是不够的。即使光阀有均匀、高效的照明，也必须从投影透镜反映到屏幕。NA的匹配、行进角的

18、方向的一致是得到高效照明的基本条件。（2）聚光器在上述的照明系统中，在局部可以得到无照度斑点的平滑照度分布，但是中央亮周围暗，从而在投影画面上形成照度斑点。改善照度斑点的技术就是采用聚光光学系统。该系统是从光源射出的光束中生成多个二次光源像，将这些光源重叠照明来改善照度斑点。由于本文主要针对投影物镜的研究，所以在照明系统细节方面就不做过多的阐述。（3）偏光变换光学系统液晶投影仪使用液晶板作为光阀。使用入射侧的偏光板，使特定偏光方向的照明光入射到液晶板而吸收其他偏光成分。然后用液晶板的各个像素使透过入射侧偏光板照明光的偏光方向产生变化，再用出射侧偏光板检光并显示出与偏光状态变化量相应得图像。所以

19、液晶投影仪的照明光只能利用特定偏光方向的光束。可是光源发生的光束是随机偏光，只能利用一半的光束做照明光。偏光变换光学系统就是有效利用这一部分没被利用的光，该系统是将光源发生的随机偏光分离成二个直交的直线偏光成分，使其中一个的偏光成分与另一个一致为具有相同偏光方向的直线偏光。这样可以实现光利用效率高的液晶投影仪照明系统。（4）偏光变换聚光器为了提高液晶投影仪照明光学系统得性能，进行了偏光变换光学系统及聚光器的两个技术革新，现就将二者融合的偏光变换聚光器进行说明。这是在偏光变换光学系统中将随机偏光在空间分离成P偏光与S偏光的原理，以及在聚光器中将光源在空间分离成许多二次光源像的原理和成在一起的光学

20、系统。这个光学系统的关键是利用这些二次光源像之间的间隙进行偏光分离及偏光变换，在偏光分离后P偏光与S偏光交互形成各自得二次光源像。这样把光源随机偏光的光束高效地变换为几乎是同一直线偏光的光束。使用透镜矩阵方式的聚光器，还能进一步使光阀得到均匀的照明。2.1.3 色分离及色合成光学系统光阀式投影仪将光源发出的照明光分离出红绿蓝三原色后入射在光阀，然后把光阀调制了的图像光再度合成，经投影透镜投影在屏幕上。担任照明光的色分离及图像光合成的光学系统称色分离及色合成光学系统。从文字上看色分离及色合成光学系统得基本作用就是分离颜色与合成颜色，加入此光学系统就是分离颜色，准确投影出图像的色彩，常将光源分离成

21、B、G、R三色分别加以控制。2.1.4 液晶光阀液晶光阀由夹在两个透明导电电极之间的液晶层、介质高反膜、光阻隔层和光导层组成。由于液晶分子的各向异性, 液晶层的电阻和电容都与液晶分子长轴对电极表面倾角有关, 即同液晶上所加电压有关(液晶分子取向由外加电压决定)， 所以液晶层可等效成与液晶层上电压有关的可变电阻和可变电容的并联。液晶模块是调制从光源发出的光到屏幕图像的最主要器件，因此液晶技术的发展对液晶投影机具有举足轻重的影响。2.1.5 微透镜矩阵众所周知当今投影仪的各种性能因素中，最重要的还是亮度。这种提高光利用效率的方法，随着图象显示元件的种类及光学系统是透过型还是反射型而不同，但是以透过

22、型LCD为图象显示元件时，近年来多采用在LCD的照明光入射侧，对每一个像素都一对一的培植微透镜矩阵，这样就把入射光集中在各个液晶像素的开口，有效提高了LCD的开口率。微透镜矩阵不仅有效提高开口率，而且使液晶的3个像素对应微透镜的1个像素，使红绿蓝照明光改变相应角度照射在其上，即可分离显示颜色，单板的液晶投影仪已经达到了实用化。微透镜的作用是液晶面上的聚光亮点集中到与像素开口同等大小，这是提高亮度的关键。2.1.6 投影物镜由合成光学系统及投影透镜组成，其作用利用光学系统将图像放大投影至屏幕上，但由于投影透镜要具有均匀的画质，丰富的周边光量，倍率像差小，入射侧有良好的焦阑性，长的后焦距等特性，设

23、计规格要求相当严格。在下面将用一章来专门对其进行研究。2.1.7 屏幕从功能上可分为反射式、投射式两类。反射式用于正投，透射式用于背投。正投屏幕又分为平面屏幕、弧型屏幕。平面屏幕增益较小，视角较大，要求环境光必须较弱；弧型屏幕增益较大，视角较小，环境光可以较强，屏幕反射的入射光在各方向基本相同。一般人以为，投影屏幕只是反射投影的光线而已，投影屏幕只是一个散射面。实际上，投影屏幕远不只是一个散射面，为了提高光效，提高对比度，扩大视角，投影屏幕有不同的结构和原理。所以，为投影机选用一个合适的屏幕至关重要。2.2 液晶显示的分类讨论液晶投影机按照可接受电子信息的不同，分为视频型或数字型两种(图2-4

24、)。若按信息接收者跟屏幕前后位置的不同又可分为前投式和背投式两种。此外，前投式或背投式液晶投影机按照使用LCD片数不同，又可分为单片式和三片式两种。图2-4 液晶投影机的分类2.2.1 视频型与数字型视频型液晶投影机仅能接收一般电视使用的NTSC、SECAM 或PAL等图像信息，因此这类液晶投影机只能用于观看传统类比式电视或录影带节目。数字型液晶投影机能通过RS232接口或视频输出接口，直接输入电脑数字图像信息，因此能取代电脑显示器将显示的图像内容直接以大画面方式投射到屏幕上。而一般数字型液晶投影机都兼具有接收视频信息的功能，除能显示电脑数字信息外，亦能播放视频影片。2.2.2 前投式与背(内

25、)投式液晶投影机有两种投影方式，一种是前投式，另一种是背(内)投式口 ，商业展示使用以前投式为主，背(内)投式多用于家庭观看影片。前投式投影机指的是投影机与观看者在屏幕的同一边。前投式的投影机包括主机与屏幕两部分，主机内含有一套由光源、LCD、分合色模块及投影镜头组成的光学系统背(内)投式投影机指的是投影机与观看者在屏幕的不同边，通常是将投影机与屏幕组合成一体，外型较传统直视型CRT电视大，画面尺寸也较大，由于使用面增益型屏幕且投影距离短，因此亮度较高。2.2.3 单片式与三片式液晶投影机依照使用LCD片数的不同可分为单片式与三片式两种单片式液晶投影机仅使用一片透射式LCD，由于在同一片液晶面

26、板上必须同时提供R、G、B三种颜色，因此光源利用效率较低单片式液晶投影机具有轻便短小、结构简单且价钱便宜等特性，一般使用在影视播放系统或是单价较低的产品。三片式液晶投影机将光源分离成R、G、B三色分别加以调制，因为分色的窄带滤色片光能效率较高，所以光源利用效率较高、颜色逼真。但是三片式投影机对定位要求很高，它可将不同的颜色合在一起，由于系统需要三片LCD与较复杂的光学系统，因此体积较大、重量较重且价钱较高。2.2.4 透射式与反射式液晶投影机此外，液晶投影机若依LCD使用方式不同来区分，可分为透射式和反射式两种 ，他们的结构不同，应用光学系统及其功能也有所差异。透射式的投影机是利用光源穿过LC

27、D做调制，因此会有高能图2-5 应用双色镜合色的透镜式投影机光学系统量的光照射在LCD上，要有高透射率才能使投影亮度提高，但是受限于LCD本身结构设计问题偏光片、液晶、玻璃等都会吸收透射光能量，同时矩阵也将降低光透射率。反射式液晶投影机使用反射式LCD，因此必须要在反射面下制造驱动晶体管，由于晶体管不会阻挡反射光，也就是LCD能使用两倍于透射式投影机的面积，所以能提高开口率、亮度与精度，但是光前后来回在光学系统中，系统的结构必须比透射式LCD投影机多出透射式所没有的光控制部分，同时LCD的安装也需要更高的准确性。在反射式液晶投影机结构中如图2-6，入射光与反射光的分开是利用偏振分光棱镜(pol

28、arizing beamsplitter，PBS)、PBS是用特殊的玻璃块制成，这种玻璃会依照光行进路程的比例不同，而阻挡不同偏振的光。图2-6 反射式液晶投影机光学系统2.2.5 双色镜型与X一棱镜型以合色光学架构来区分，使用双色镜合色方式(图2-5)所做成的液晶投影机体积较大，且在合色时由于图像信息光源通过具有一定厚度且两面为镜面的平板玻璃，图像容易产生偏移现象，影响投影图像R、G、B三色混合的准确性，造成色彩偏移。使用X一棱镜方式合色 (图2-7)，投影图像对位准确，同时由于只需一个X一棱镜，投影镜头设计相对较简单，系统体积较小，因此一般三片式液晶投影机大都使用X棱镜作为合色装置。 图2

29、-7 使用X-棱镜的投影机原理简图3 LCOS系统研究3.1 概述 当前的投影机主要有CRT投影机、LCD投影机、DLP投影机、LCOS投影机四大类型。投影机的发展到目前为止也主要经过了这几个发展阶段，分别通过这四种典型的显示技术即CRT投影技术、LCD投影技术、DLP投影技术以及LCOS投影技术来加以实现。3.1.1 CRT投影技术CRT (Cathode Ray Tube)称为阴极射线管。作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成R(红)、G(绿)、B(蓝)三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。光

30、学系统与CRT管组成投影管，是CRT投影机的核心部分。其缺点是:体积大、较沉重、所以只能固定安装，不利于便携，这点使其远远落伍于便携式的投影机。3.1.2 LCD投影技术LCD (Liquid Crystal Display)投影机是目前应用最为广泛、技术最成熟的投影机产品。它在成像是利用液晶分子的光电效应来工作的。LCD投影技术可分为液晶光阀和液晶板两种。缺点是:价格高，体积大，光阀不易维修。3.1.3 DLP投影技术DLP(Digital Light Processing)是由美国德州仪器公司(TI)开发的。DLP是全数码处理，特点是一块高度精密的数码微镜芯片DMD，由TI成员Dr. La

31、rry Hornbeck于1987年研发DLP分为三片式及单片式，前者价格昂贵，后者便宜，但会有彩虹现象。DLP投影机的技术关键点如下:首先是数字优势。数字技术的采用，使图像灰度等级达256- 1024级，色彩达2563- 10243种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确的数字图像可不断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式DMD器件的应用，使成像器件的总光效率达60%以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。其后的LCOS是本文研究的重点，下面用单节来做研究。3.2 LCOS投影原理LCOS属于新型的反射式micro LCD投影技术，其结构是在硅晶圆上长电晶体，利用半导体制程制作驱动面板（又称

32、为CMOS-LCD），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装测试。 基本结构如图3-1：图3-1 LCOS器件结构图LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似，只是LCOS投影机是利用LCOS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号，与LCD投影机最大的不同是LCD投影机是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用反射的架构，所以光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。根据分

33、色/合色系统LCOS光学系统可以划分为时间分色/台色光学系统与空间分色合色光学系统。按照投影系统的液晶片数门来看，又有单片式投影系统和三片式投影系统。 通常，在单片式投影系统中采用时间分色合色光学系统，而在三片式投影系统中采用空间分色合色光学系统。时间分色台色光学系统通常采用一块液晶片来调制三基色，所以必须采用在时间上进行分色合色的光学系统。为了在向列型液晶片上显示颜色，被显示的图像在到达液晶片之前要分解成其R、G、B三个子图像。子图像然后按一定的次序被写入到底板电路上。当红色图像存贮在底板的时候，设备由红光照明，同理对于绿光和蓝光，三种基色按照一定顺序轮流照明液晶片。由于CMOS底板的内在速

34、度和小尺寸，可以保证这个过程足够快，从而产生与设备相协调的全色。其实，在液晶片上的图像在每一时刻只有一种颜色，但由于人眼的响应速度较颜色切换慢的多，所以反射图像入射到眼睛视网膜上就会形成彩色图像，实现在时间上的合色 。图3-2给出了其投影系统示意图：图3-2 单片式LCOS投影系统示意图单片式LCOS投影仪系统可以实现完美的颜色汇集，这是由于只有一块液晶片提供3种颜色，不会出现像素的错位，而且由于液晶片数目的减少，整机的费用也将随之减少，但是，单片式LCOS投影仪必须具有快速响应的要求。空间分色合色光学系统首先要对光源的光在空间上进行分色，然后分别照明到3个液晶片上，分别调制后再在空间合色彩色

35、图像。由于三片式液晶投影系统是由光学系统将白光分解成3种基色，然后对每种基色分别进行调制，所以具有画质更细腻、亮度高等优点。图3-3是目前普遍采用的Phillip棱镜光学分色合色系统，输入的白偏振光进行分色，分别进行调制后，将携带信息的光投影在屏幕上。这种分色合色系统原理简单，分色性能好，已广泛应用到三片式投影系统中 但是，这种分色系统对角度很敏感，如果入射角度不符合条件或入射角度范围过宽，都会引起颜色失真。图3-3 采用phillip棱镜的LCOS投影系统另一种三片式LCOS结构中。分色合色系统是由偏振干涉滤光片构成，其结构如图3-4所示。利用偏振干涉滤光片对入射的白偏振光进行空间分色分别进

36、行调制后再利用偏振干涉滤光片的特性进行合色，然后投影到屏幕上。这种光学系统原理简单，分色合色效率高，而且能进一步降低光学系统的造价，其市场前景非常广阔。图3-4 偏振干涉滤光片的分色/合色原理图光学引擎是为整个投影仪提供分色合色的系统，其效率高低与整个投影仪的性能是息息相关的。以上是目前LCOS投影仪中最常用的几种光学系统，这些光学系统将分色与合色合为一体，使整个光学系统的体积小，结构紧凑，特别是利用偏振干涉滤光片设计的光学分色合色系统能大大提高光学效率，减小系统体积，而且具有非常好的角度特性。3.3 LCOS的特点LCOS的产品结构决定了它与一般的液晶显示器件都不同，具有一些独立的其他类型显

37、示器件都不具备的特征。（1） IC-LCD一体化显示器IC（Integrated circuit）-LCD是将显示器件和大规模集成电路制作成一体的显示器件，使显示器件本身具有了某种智能功能，我们可称为智能型显示器件。液晶显示器件被称为是大规模集成电路的孪生兄弟。液晶显示器件的轻、薄、小的特点使显示器件的信息显示实现了个性化，而个性化的结果为大规模集成电路提供了广大的市场。（2）产品可以做得更小、更精一般的LCD在制作过程中需在玻璃基板上进行光刻，制造像素。将像素做到0.28mm已属不易，因为在每个像素上还要制作一个有源器件。但是LCOS的像素是制作在单晶硅片上的，硅片采用大规模集成电路的工艺进

38、行加工，可将像素做到0.004mm以下。因此，在一个仅零点几英寸的硅片上可以生产1024768，甚至19201240像素密度的产品。可以想象，其产品显示的信息量密度加大了，而面积减小了。其材料费，资料成本自然就会大幅度降低。投产后的LCOS屏成本仅50美元。不用担心器件太小显示内容看不见，只要通过一定的光学系统放大，自然可以得到任意次村的显示面积。（3） 提高了TFT-LCD像素开口率像素开口率是指显示像素上有效显示面积所占的比例。开口率高，透过的光就多。由于一般的TFT-LCD是在玻璃基板非晶硅膜层上制作的，非晶硅或多晶硅层上制作场效应管时，由于非晶硅、多晶硅的电子迁移率低，因此，场效应管有

39、源器件所占面积大，而LCOS的硅片是单晶硅，其电子迁移率远比非晶硅、多晶硅高得多，所以其面积可以做得很高，达96%以上。（4） 提高了光的利用律液晶显示器件是被动型显示器件，靠调制外界光实现显示，普通的LCD在前后各有一个片偏光膜，LCD就是靠调制偏振光的开关、通断完成显示的。LCOS的背基板是单晶硅基片，因此，LCOS大都做成反射式形式。硅片像素上有镀有覆盖整个像素的光学反光镜，可以将光全部反射出来，因而大部分入射光都能够被利用。（5） 实现显示的方式多样化由于LCOS屏幕尺寸很小，所以在实现显示时必须用放大光学系统。常用的有投影放大方式，该方式可以用正投影显示，也可以用背投影显示。投影成大

40、屏幕实像。虚像放大方式：利用近目光学系统实现虚像显示，有单目式和双目式两种，有氛围割取外影式和迭加外景式。4 LCOS投影系统物镜设计的研究4.1 LCOS投影系统对投影物镜的要求4.1.1 光学参数LCOS投影物镜是将被照明的物成一明亮清晰的实像在屏幕上，一般讲，像距比焦距大的多，所以物平面在投影物镜物方焦平面外侧附近。投影物镜的放大率、光圈F和焦距f是其最重要参数。放大率愈大，测量精度愈高，物镜孔径愈大。当工作距离一定时，放大率愈大，共轭距愈大，投影系统结构尺寸越大。用于LCOS投影物镜将对角线0.9/0.7/0.55英寸液晶光阀面板放大50-80英寸，放大率较大。其次就是光圈F值的大小。

41、光圈F越大(F值越小)，镜头的通光率越大。投影机镜头的光圈是用数值来表示的，一般从1.6-4.0，每一个镜头的最大光圈都用数值标在镜头前。镜头的F值在理想状态下所能达到的值为1.0，受制造工艺、价格因素等制约，F值是永远不能做到1.0的。焦距f也是用数值来表示的，通常从50-210，分为短焦、标准和长焦，还有超短和超长焦的。数值越小焦距越短，数值越大焦距越长，投影机对镜头焦距的要求正投一般在50-140，背投一般在35左右，焦距决定了打满预定尺寸时投影机与影幕的距离，焦距越短，投影机与影幕的距离就越近，反之就越远。如果要在短距离投射大画面就需要选择短焦镜头的投影机，反之则需要选择长焦镜头。一般

42、的投影机都为标准镜头。镜头的焦距决定了该镜头在投影机与银幕距离一定的条件下所能形成影像的大小。那么镜头的焦距越短，则投影在银幕上的影像就越大。 4.1.2 外形尺寸一般我们希望系统有一个适当的高度及一个最小的厚度。为了达到这些目标，可以使用一个具有高反射的大反射来折返系统的光学路径。借着调整反射镜的位置及角度来控制系统的高度和厚度。除此之外，投影镜头的光轴必须垂直于屏幕以避免投影出来的影像又T型像差，因此，投影镜头相对于反射镜的角度便会随着反射镜的角度而改变。为了不使反射镜的尺寸过大，反射镜的位置必须远离屏幕，然而此举将会使系统的厚度变厚。因此，在反射镜尺寸和系统厚度之间必须有一折衷的选择。4

43、.1.3 成像质量成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求，对于LCOS投影物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。4.1.4 其他除以上介绍的以外，还有很多其他方面的参数如光谱范围要在435-635nm，像面均匀度要大于90%，投影镜头的相对均匀性大于90%等等。4.2 投影物镜类型的选择4.2.1 应具特点从上述分析可以看出，LCOS投影镜头具有广角、短焦、长工作距的特点，属于远心反远距型物镜，因此有必要研究反远距物镜设计的理论基础和一般过程。4.2.2 为满足上述要求物镜应具有的类型（1）像方远心光路所谓像方远心光路即光学系统的像方主光线平行于光轴

44、，主光线的会聚中心位于像方无限远处。该光路的作用在于消除或减少由视场引起的误差，使出射光线平行于主光轴且垂直屏幕的投影到屏幕上。光路如图4-1所示：图4-1 像方远心光路（2）反远距（反摄远）型反远距型物镜结构能够同时实现广角和长工作距离的要求。所谓反远距型，就是它的结构形式与远距型相反，采用负正透镜的分离，负光焦度透镜作为前组，正光焦度透镜组作为后组。光线经过前组发散后进入后组，被后组成像到焦平面上，使整个系统的后主面向后移出物镜之外，从而获得比焦距还要长的后工作距离。而视场角很大的轴外光线，经前组发散后，相对于后组视场角变小，从而达到广角的目的高斯光学如图4-2所示：图4-2 反远距物镜的

45、高斯光学4.3 投影物镜初始设计研究在归一化条件下，即总光焦度，设为前组光焦度；为后组光焦度，d为前组和后组之间的距离。当令时，假定轴外主光线通过后组，再令，此时： （4-1）而 前组主光线角放大率的倒数为 （4-2）且 （4-3）即前组角放大率的倒数为高斯光学的后工作距离。此时光学系统的总长度为 （4-4）前后二组的光焦度与的关系为根据上述公式，给定 和就可以求出、和光学总体长度，并且计算出前后二组的相对孔径。反远距物镜的后工作距离是有一定要求的，由式 （4-3） 看出与、相等，因此为了加长后工作距离，必须增大前组的。前组的增大使前组的视场角增大。由此可见，必须首先给定足够大的。对于反远距物

46、镜，除要求它具有足够长的后工作距离和较大的视场之外，还希望它结构尺寸可能简单紧凑、筒长短、体积小、由式（5-4）可以看出，为了缩短筒长L，必须减小前组和后组之间的距离d。而由式（5-2）可以看出，当确定后，d与之间的关系是一定的，如要求减小d，必须增大，增大必须引起增大，由此必然引起与孔径有关的高级像差的增加。为了降低由此产生的高级像差，就要对结构进行复杂化。反过来说，为了避免结构形式的过分复杂化，当确定后，就要减小，而减小则又必然增大d，从而使得筒长和体积增加。总之，、d、三者之间是相互关联的，其中是主导的，它决定反远距物镜的后工作距离和视场角，并且在很大程度上制约外形尺寸和结构的复杂化程度

47、。综上所述，、d、的确定，既要满足长工作距离和大视场的需要，又要考虑外形尺寸结构的复杂化程度。因此，、d、三者的优化选取至关重要。4.4 LCOS投影物镜像差的研究4.4.1 需要矫正像差的种类上面的讨论我们知道LCOS投影物镜属大孔径大视场一类的透镜组，各种像差都需要校正；但由于大屏幕的分辨率不高，对物镜像差校正的要求要比显微镜物镜和望远镜物镜这一类小像差系统低得多，是属于大像差系统，这里分析主要的几种像差：球面像差、彗星像差、像面弯曲、畸变等。 4.2.2 矫正这几种像差的原因（1）球差 以镜头是球面构成的观点而言，这是一种无可避免的像差。当平行的光线由镜片的边缘通过时，它的焦点位置比较靠

48、近镜片，而由镜片的中央通过的光线，它的焦点位置则较远离镜片（这种沿着光轴的焦点错开的量，称为纵向球差）。口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。受到球差影响的点像（point image），近轴光线的影像，其边缘彷佛被周围来的光斑 所包围。因此由画面中央到周围都受到影响，整体好像蒙上一层纱似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙影像。对于球面镜片的球面像差进行矫正，是件非常困难的工程。通常是以某一个入射距（从光轴起算的距离）的光线为基准，然后使用凸、凹两枚镜片予以适当的组合完成，可是，只要是使用球面镜片，某种程度的球差就无法获得很大的改善。不过，彻底消除大口径镜头全开状态的球差，除了采用非球面镜片之外别无他法。（2

49、）慧差球差矫正过的镜头，在它的画面周边最常见的现象。当光轴外的光线斜向射入镜头后，在面上无法聚集成一点，向画面中心或相反方向形成拖着尾巴的一种像差。拖着尾巴的样好像彗星，所以叫做慧差，这种松蒙现象称为慧星光斑（comatic flare）。即使是可以在光轴上，将点成像成点的镜头，从离轴的点过来，通过镜头边缘的光线，和通过镜头中心的主光线相比，有着不一样的折矢（sagittal）像面的光束并无等价条件，所以两者的光线不能同时成为一点。子午像面的焦点在最佳位置时，弧矢像面的光线就结成线状（同心圆方向/子午焦线），反之，弧矢像面的焦点在最佳置时，子午线面的光线也结成线状（放射状方向弧矢焦线）。（3）

50、像面弯曲焦点对在平面物体时，像面并没有结成平面，像碗状一样形成内凹的一种现象。因此，当焦点对在画面中心时，四周趋清晰，反之，焦点对在四周时中心就变模糊。像面弯曲主要随着像散现象的矫正方法而改变，由于像面会出现在子午像面和孤矢像面之间，因此，像散现象矫正得愈好，像面弯曲现象就愈少。由于缩小光圈无法矫正像面弯曲，因此设计上，一般都是改变各种单镜片的开头或者选择光圈的位置上下功夫。像散现象和像面弯曲需要同时矫正时，不可少的条件之一的就是匹兹万条件（Petzvals condition）。这个条件就是，将镜头使用的单镜片数，加在各单镜片的折射率乘以焦点距离的积的倒数上，它的和最好等于零，这个和叫做匹兹

51、万和数。（4）畸变畸变会引起画面的失真，所以我们一般要求畸变大小要总小于1%。4.4.3 像差评定光学系统的成像质量与像差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。但是任何光学系统都不可能也没有必要把所有像差都校正到零，必然有剩余像差的存在，剩余差大小不同，成像质量也就不同。因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余像差的允许值和像差公差有所了解，以便根据剩余像差的大小判断光学系统的成像质量。评价光学系统的成像质量的方法很多，常用像质评价的方法有以下几种：瑞利判断。实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过1/4 波长。其是一种较为严格的象质评价方法，适用于小象差系统，本系统不需要采

52、用此方法。分辨率。分辨率是反映光学系统分辨物体细节的能力。当一个点的衍射图中心与另一个点的衍射图的第一暗环重合时，正好是这两个点刚能分开的界限。点列图。由一点发出的许多光线经光学系统以后，由于像差，使其与像面的交点不现集中于同一点，而形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图。通常用集中30%以上的点或光线的圆形区域为其实际有效的弥散斑，它的直径的倒数，为系统能分辨的条数。其一般用于评价大象差系统，较适合于本系统。光学传递函数。此方法是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的，也就是将物的亮度分布函数展开为傅里叶级数或傅里叶积分。把光学系统看作是线性不变系统，这样，物体经光学系统成像，可视为

53、不同频率的一系列正弦分布线性系统的传递。传递的特点是频率不变，但对比度下有所下降，相位发生推移，并截止于某一频率。对比度的降低和位相的推移随频率而异，它们之间的函数关系称为光学传递函数。由于光学传递函数与象差有关，故可用来评价光学系统成像质量。它具有客观、可靠的优点，并且便于计算和测量，它不仅能用于光学设计结果的评价，还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。4.5 投影物镜设计实例分析在这里我们从两个比较典型的实例来分析：4.5.1 实例分析一： （1） 结构参数相对孔径：d/f=1/2；视场角：73；放大倍率：50.7倍；焦距：15mm；后工作距=32mm，加入30mm厚

54、的K9棱镜；畸变最好0.5%，但只要小于1%；分辨率：边缘36线对/mm时，MTF（Modulation Transfer Function）=0.5；杂光系数：5%，系统要求投影距离1547mm，投影物镜是一个像方远心反远距成像透镜。此系统由ZEMAX设计，投影物镜的结构如图43所示： 图4-3 投影镜头的ZEMAX输出结果（2）类型特征分析当光束经负光焦度的前组反散后，对于后组来说，就成为对近距离物体成像的投影物镜，这时后组要补偿前组的负光焦度，因而相对孔径比较大，而轴外光束经前组发散后，后组的视场角1/r1倍。所以后组实际上是物象关系比较对称，相对孔径比较大，视场角比较小的光学系统。对于

55、物象关系比较对称的光学系统，一般应选择基本对称的结构形式，令垂轴相差自动消除。根据不同相对孔径、视场角和后工作距离的要求，后组的结构形式也是不同的。假如相对孔径比较大，而视场角和反远比不大，后组可采双高斯型以及它的失对称复杂化；假如相对孔径较大，视场角和反远比也较大，后组最好采用三片型的失对称复杂化；假如相对孔径较大，反远比也较大，只是视场角小，后组才匹兹瓦型以及它的变形即可。反远距型物镜的结构形式不断演化，鼓型透镜的应用在很大程度上打破了前组和后组的界限，出现了所谓的“整体化”的结构。反远距物镜的前组和后组并不市单独校正象差的，反远距物镜的结构形式多种多样，这就要求对各种结构形式作具体分析，

56、以便在尽可能校正好象差的前提下，实现结构形式的简单化和结构尺寸的小型化。（3）像差（曲线）特征分析ZEMAX软件输出的投影镜头的MTF曲线如图4-4所示：图4-4 投影物镜的MTF曲线投影物镜的场曲和畸变曲线如图4-5，全视场的畸变值小于0.5%，满足系统指标要求。图4-5 投影物镜的场曲和畸变4.5.2 实例分析二其次为了能满足相同光学引擎、相同屏幕位置下不同屏幕尺寸的需要。可考虑设计为变焦投影物镜。设计出变焦投影物镜, 能满足相同光学引擎、相同屏幕位置下不同屏幕尺寸的需要。考虑到所设计的系统为大相对孔径、大视场和小变焦比, 从变焦理论出发, 采用正组补偿的机械补偿法, 对变倍组进行合理的倍

57、率选段, 求出了高斯解; 然后分组元选用合理的初始结构, 利用ZE2MAX 光学设计软件进行优化设计, 解决了变焦系统畸变难以控制的问题, 并使用调制传递函数对整个系统进行了综合评价。（1）设计参数设计参数如表4-1所示表4-1 Parameters of design（2）类型分析由表41可知, 所设计的系统相对孔径较大, 中等视场, 变焦比很小。为了满足只需更改屏幕尺寸而无需更改屏幕位置, 且减小系统长焦时的二级光谱, 故采用正组补偿的机械补偿法设计光路。图4-6理想透镜系统光路图如图46所示, 考虑到设计要求的变倍比很小,于是采用移动组元2单独实现变倍, 组元3仅仅补偿像面的位移, 从3

58、出射的光在焦距改变过程中总为平行光而不影响变倍。前固定组1、后固定组4和5也不影响变倍比, 只是起到平衡像差及提高系统性能的作用。由于系统的变倍比只与变倍组的垂轴放大倍率有关, 为长焦时的垂轴放大倍率与短焦时的垂轴放大倍率之比(下标中的数字表示组元编号, l 表示长焦位置, s 表示短焦位置,下同)。采用非换根的正组补偿, 为了尽可能地压缩光束落在补偿组元上的高度, 所以倍率选段为- 1 0。通过示意图46, 并利用几何光学公式、 可以求出: = + = 5, = - = 4.4, 取= 2,用ZEMAX 软件可得出f 后固定组= 2.2。为更好地消除系统像差, 将后固定组分成2个组元4和5,

59、 按0.550.45 分配光焦度, 且保持d 45=1, 可得: =3. 4, = 3。此时, 理想系统在短焦处的焦距为0.9 mm ,而实际需要控制短焦处的焦距为20 mm , 于是将所有的d 和f 都放大22 倍, 并均以mm 为单位,便得到实际的光学系统外部参数值。系统的所有高斯解确定后, 就可以分组元采用已有的初始结构进行消像差优化设计。（3）系统像差图及MTF图通过图3图5 可以发现, 所设计系统的像差, 如球差、场曲、畸变等, 都控制在较小的范围内,它们均满足变焦投影物镜要求的像差容限。在畸变图4中, 显示了3种不同波长的光随视场变化的畸变大小, 出现正负畸变交替的较理想曲线, 保

60、证了畸变大小总小于1%。图4-7 长、短焦时系统场曲图图4-8 长、短焦时系统畸变图图4-7 长、短焦时系统横向相差图总之, 系统的相对孔径基本保持在1/2左右,结合具体课题要求, 采用正组机械补偿法设计变焦系统, 对变倍组倍率进行合理选段, 求出了高斯解; 分组元选取恰当的初始结构, 运用光学设计软件进行像差自动优化, 设计出了一个反远距型的变焦投影物镜, 并给出最终优化结构的结构参数和系列成像质量图表;运用多次拟合插值的方法, 计算出了所设计的变焦投影系统的凸轮曲线。本文所设计的变焦距物镜系统符合参数指标并满足像质的要求, 但还存在一定的共轭距和总长度, 这是有待进一步解决的首要问题, 可

61、考虑使用非球面或者其他特殊材料的玻璃组合使结构更加紧凑。5 结 论本文分析和研究的出发点是液晶投影显示器基本结构的研究，主要集中于光学引擎的光学系统的总体设计研究、分析实例的设计方法和性能要求，研究工作如下：在本课题的研究过程中，查阅了大量资料，刚开始并不知道在哪查阅、怎样查阅文献，在导师的引导下学会了科学高效的查找方法，这对作者以后的工作学习将非常受用。由于目前毕业设计的时间和条件，作者要做本文所有的研究工作和具体系统设计是不现实的，所以作者选取其一。本文对LCOS投影物镜的研究工作比较详细，讨论了LCOS投影物镜的最基本像方远心反远距结构和当今成本较高、开发较难的变焦投影物镜。对它们的结构

62、参数、类型特征、像差特征都进行了具体的分析。本论文是对液晶投影显示系统理论研究和实例分析，由于条件的限制没有进行仿真建模、模拟分析优化到系统实现。另外，在研究过程中，发现还存在很多的问题需要进一步的深入研究，希望以后有机会能够完成。随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过三月余的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计，我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还很多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了