基于LED照明的MEMS光柵光調(diào)制器的光學(xué)投影系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).pdf

1、隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，將MEMS技術(shù)與空間光調(diào)制器相結(jié)合，開(kāi)發(fā)基于MEMS技術(shù)的光調(diào)制器已經(jīng)成為投影顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)；另一方面，大功率LED由于其突出的優(yōu)點(diǎn)在近些年發(fā)展迅速，將大功率LED作為微投影顯示系統(tǒng)的新光源正在被積極研究中。目前，市場(chǎng)上主要微投影顯示產(chǎn)品的核心技術(shù)大都受到國(guó)外專(zhuān)利保護(hù)，因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于MEMS技術(shù)的光調(diào)制器，并利用LED光源的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行投影顯示，對(duì)打破國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)壟斷，提升我國(guó)在

2、顯示技術(shù)的水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力方面具有重要的科學(xué)意義。
　　 本文分析和研究的出發(fā)點(diǎn)是針對(duì)課題組提出的新型光柵光調(diào)制器，設(shè)計(jì)用LED作為其光源的光學(xué)投影系統(tǒng)，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)來(lái)分析研究這一投影顯示系統(tǒng)。本文作者在課題組前期工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步詳細(xì)分析了用LED作為光柵光調(diào)制器照明光源的可行性；設(shè)計(jì)了在LED照明下的光柵光調(diào)制器的照明聚光系統(tǒng)和投影成像系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)作出評(píng)價(jià)；利用設(shè)計(jì)結(jié)果搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了理論和設(shè)計(jì)的正確性。具體研

3、究?jī)?nèi)容包括：
　　 1)在光柵光調(diào)制器調(diào)制原理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了器件的表面彎曲度和周期性結(jié)構(gòu)對(duì)器件調(diào)制特性的影響，優(yōu)化了光柵光調(diào)制器的理論光學(xué)模型，為光柵光調(diào)制器的設(shè)計(jì)及加工工藝提出了改進(jìn)方案。
　　 2)利用部分相干光理論分析了將LED作為光柵光調(diào)制器照明光源用于投影顯示的可行性。討論了光源的尺寸、光譜帶寬、表面結(jié)構(gòu)對(duì)器件調(diào)制特性的影響，分別從頻譜面的衍射光強(qiáng)分布，像面的光場(chǎng)分布和調(diào)制對(duì)比度等角度進(jìn)行說(shuō)明，分析了LE

4、D光源照明下的兩種光學(xué)信息處理系統(tǒng)，從理論上證明了LED用于光柵光調(diào)制器照明光源進(jìn)行投影顯示的可行性，并以此指導(dǎo)光學(xué)投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　 3)利用色度學(xué)原理分析了LED光源的色度學(xué)特性，分析了RGB三基色LED光源的數(shù)目之比、光源帶寬變化對(duì)顯示質(zhì)量的影響，得到了在三基色LED光源照明下光源的最佳配比方案，并進(jìn)一步通過(guò)顯色指數(shù)說(shuō)明LED用于投影顯示的性能優(yōu)異性。
　　 4)利用Tracepro、Codev等光學(xué)軟件，設(shè)計(jì)

5、了一種自由曲面TIR透鏡實(shí)現(xiàn)LED光能量的收集；通過(guò)直形光棒和梯形光棒兩種方案實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)的均勻化，并對(duì)兩種光棒在實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)均勻化和改善出射光出射角方面進(jìn)行比較；利用一套結(jié)構(gòu)緊湊的聚光透鏡組實(shí)現(xiàn)光能量的高效會(huì)聚，實(shí)現(xiàn)了大發(fā)散角的LED光能量的有效收集，并達(dá)到了器件的均勻照明。
　　 5)依據(jù)光柵光調(diào)制器的光學(xué)調(diào)制原理和光學(xué)成像原理，確定了投影物鏡的類(lèi)型，利用Zemax、Codev軟件設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的投影物鏡組，實(shí)現(xiàn)了光柵光調(diào)制器

6、的信息處理和投影成像，并通過(guò)像差評(píng)價(jià)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的投影成像系統(tǒng)進(jìn)行比較。利用X棱鏡實(shí)現(xiàn)了三基色LED的彩色合成，最終實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)小巧的基于LED光源的光柵光調(diào)制器的光學(xué)投影系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)、建模和評(píng)價(jià)，掌握了光學(xué)投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決方法。
　　 6)利用基于MEMS技術(shù)加工得到的光柵光調(diào)制器，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了器件的彎曲度和周期性結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)制特性的影響，說(shuō)明理論分析的正確性;根據(jù)光學(xué)投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，