高均匀高光效LCoS微型投影系统研究

【摘要】随着投影显示技术的不断发展,以及市场日新月异的需求,均匀性和亮度作为投影光引擎系统极为重要的性能指标,越来越受到重视和追崇。因此,本文将以高均匀度高光效的LCoS微型投影系统为研究重点,主要从偏振光复用技术这一角度出发对高光效LCoS投影系统的设计来展开研究。对各种偏振光复用技术及其在LCoS光引擎中的具体应用进行相应的论述和分析。文章首先介绍和比较了三种主流投影显示技术的光学结构和原理。其中,LCoS技术与DLP技术相比,LCoS微型投影光引擎虽然成本较低,但同时存在光效率较低的问题。基于液晶显示芯片工作机理,LCoS仅能对偏振光起调制作用,因此偏振光复用技术无疑是提高LCoS微型投影光学系统光效率的最有效的方法之一。针对传统偏振光复用方法存在的加工难度大或光效率低等问题,本文首次提出了一种全新的基于成像光学与非成像光学相结合的光束整形偏光复用方法。LED发出的照明光束经过非成像光学中的方棒及成像光学中的成像透镜进行匀光、分束整形来获取间距近似为单个小光斑单元尺寸2倍的光斑阵列,该光斑阵列再经过偏振光转换之后实现光斑阵列之间的填充,这样原两个偏振态的光全部转变为同一偏振态的光,并被后续中续透镜所收集传递至LCoS表面形成多阵列光斑均匀叠加照明。与传统偏振光复用方法相比,新方法具有如下特点：1)没有使用复眼或者双折射晶体,不存在加工和成本问题；2)新方法用的是照明区域的叠加,并不存在由于照明区域拼接带来的照度不均匀的风险,因此具有很高的照明均匀性；3)新方法没有使用多次反射来提升光效率,不存在反射损耗,其光效率也会相对较高。综上所述,这种全新的基于方棒的光束整形偏振光复用方法是很适合应用于LCoS微型投影光引擎。基于该方法,论文重点设计了二款LCoS微型投影光引擎。其中一款使用彩色滤光片型的LCoS,显示芯片对角线长度0.29″、分辨率852×480,使用白光LED光源,在1瓦功耗下可以输出10.5流明；另一款则使用彩色时序型LCoS,显示芯片对角线长度为0.38”、分辨率640×360,使用三色LED光源,在1瓦功耗下可以输出17.6流明。相对于没有应用偏振光复用的微型投影光引擎,光效率有了极大的提升,并且光引擎厚度也并没有增加,仍然控制在1lmm。
【作者】张倩；
【导师】余飞鸿；
【作者基本信息】浙江大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】微型投影光引擎；LED；LCoS；偏振光复用；均匀性；光效率；

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