應(yīng)用自由曲面的超薄投影顯示系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、投影顯示技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大屏幕顯示的一種有效途徑，顯示技術(shù)的市場(chǎng)需求促使投影顯示向高亮度、高清晰度、超薄化、大屏幕化等方向發(fā)展。超薄顯示系統(tǒng)由于其本身的超薄結(jié)構(gòu)，滿足了在生活空間日益狹窄的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量顯示的市場(chǎng)需求，因而具有廣闊的發(fā)展空間。 本文針對(duì)投影顯示系統(tǒng)的光源、照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究超薄顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用非成像光學(xué)理論分析帶反光碗的投影光源的光學(xué)擴(kuò)展量，理論推導(dǎo)了光學(xué)擴(kuò)展量與能量利用率之間的關(guān)系，并建立了一

2、套新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量得到帶反光碗光源的光學(xué)擴(kuò)展量與能量分布、能量利用率的關(guān)系，為后續(xù)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。光源與照明系統(tǒng)的匹配程度直接影響投影系統(tǒng)的亮度和對(duì)比度，使用該方法進(jìn)行分析和測(cè)量可以最大程度地提高光源與照明系統(tǒng)的匹配程度，從而保證超薄投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高的亮度和對(duì)比度。 在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入自由曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)光源的發(fā)光特性和照明面上需要的光能分布，基于折反定律推導(dǎo)得到了微分方程組，采用差分法求解該方程組可

3、得到自由曲面的面形數(shù)據(jù)。該方法簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并提高了照明效率。雖然求解得到的自由曲面采用離散點(diǎn)表述，無(wú)法用表達(dá)式表征，但在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍然具有廣泛的應(yīng)用前景。 在成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本文采用離軸式方法設(shè)計(jì)超薄投影鏡頭。設(shè)計(jì)了四片非球面組成的離軸式反射系統(tǒng)，然而，僅采用非球面設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠精簡(jiǎn)，性能也有待進(jìn)一步提高，且非球面面形較大時(shí)加工和檢測(cè)都存在一定的困難；繼而提出了用球面Fresnel反射鏡代替非球面的設(shè)計(jì)方法，雖然Fres

4、nel反射鏡加工和檢測(cè)更為簡(jiǎn)單，且復(fù)制成本低，但對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性；進(jìn)而，應(yīng)用折反系統(tǒng)結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了離軸式投影鏡頭，該方法因兼具折射和反射的優(yōu)點(diǎn)，在大屏幕超薄背投系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中廣為應(yīng)用，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生難以校正的色差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 為了解決上述四片非球面系統(tǒng)、Fresnel反射鏡和折反系統(tǒng)結(jié)合投影鏡頭存在的問(wèn)題，本文最后提出了采用自由曲面設(shè)計(jì)超薄成像系統(tǒng)的方法。由于離散點(diǎn)表述的自由曲面在像差校正、加工及檢測(cè)等方面存在困難，提出了采用Z

5、ernike多項(xiàng)式表征自由曲面的面形，并利用Zernike多項(xiàng)式與Seidel像差之間的關(guān)系，優(yōu)化自由曲面成像系統(tǒng)性能。該方法采用Zernike自由曲面反射鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)波長(zhǎng)沒(méi)有選擇性、系統(tǒng)無(wú)色差，且自由曲面具有較大的設(shè)計(jì)自由度，可以實(shí)現(xiàn)超薄的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?；诶碚撗芯浚捎肸ernike自由曲面設(shè)計(jì)了超薄超短焦的投影成像系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的光學(xué)性能，并通過(guò)離軸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超短距離內(nèi)的大屏幕投影顯示。 為了驗(yàn)證離