【摘要】：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(shí)現(xiàn)信息顯示的便攜性與分享性,有望在種種平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。而白光濾光片型硅基液晶芯片((Coloor-FilterLiquidCrystalonSilicon,CF-LCoS)光引擎因其可以用白光LED進(jìn)行照明、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、組裝方便、成本較低易于推廣等特點(diǎn),有望獲得更為廣泛的應(yīng)用。如何根據(jù)當(dāng)前白光LED與CF-LCoS特點(diǎn),設(shè)計(jì)體積小、均勻性好、能量利用率高光引擎成為近幾年業(yè)內(nèi)爭(zhēng)相研究的重點(diǎn)。波前編碼免對(duì)焦鏡頭理論主要涉及的是三次相位板,而相干成像過(guò)程中牽涉到的二次位相因子,實(shí)際上同三次相位板是存在緊密的關(guān)聯(lián)�；诖嗽�,本論文首次嚴(yán)格推導(dǎo)了相干成像系統(tǒng)的透鏡成像公式,并就其中與標(biāo)定倒置理想像(Geometrical-Optical Predicted Image,GOPI)相乘的二次位相項(xiàng)(Quadratic Phase Term,QPT)消除條件進(jìn)行了深入研究。從點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PointSpreadFunction,PSF)與QPT引發(fā)的余弦和正弦相位項(xiàng)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(shù)限制兩個(gè)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(gè)限制條件,得到了與理論分析完全一致結(jié)果。這一推導(dǎo)可望在后面的波前編碼免對(duì)焦鏡頭研究過(guò)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(shù)理論研究的深度。作為光引擎第一個(gè)研究重點(diǎn),論文根據(jù)LED發(fā)光特性以及CF-LCoS微型投影系統(tǒng)的特性,從成像光學(xué)的角度導(dǎo)出了復(fù)眼照明系統(tǒng)的基本成像公式。在此基礎(chǔ)上根據(jù)CF-LCoS目標(biāo)區(qū)域的尺寸及其對(duì)光束入射角要求,LED經(jīng)整形透鏡整形以后的光斑尺寸與發(fā)散角,根據(jù)推導(dǎo)的復(fù)眼系統(tǒng)的基本成像公式計(jì)算LED復(fù)眼照明系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu),然后利用復(fù)眼照明系統(tǒng)中的多重共軛成像關(guān)系,將復(fù)眼成像、中繼透鏡分別利用成像軟件進(jìn)行直接優(yōu)化,最后將兩者通過(guò)孔徑與中間像匹配原則同復(fù)眼陣列在成像軟件中組合在一起,成功設(shè)計(jì)了大照明角度下的CF-LCoS復(fù)眼照明系統(tǒng)。系統(tǒng)以較小的復(fù)眼數(shù),在保證CF-LCoS照明條件下,比較好地解決了照明系統(tǒng)效率同大角度的問(wèn)題。這種成像光學(xué)優(yōu)化方法較之傳統(tǒng)的手工編寫代碼計(jì)算方法要簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。非成像軟件的模擬結(jié)果證明該方法得到的結(jié)果正確、均勻性好、效率高。論文最后設(shè)計(jì)并制作了 CF-LCoS微型投影儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī),進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提方法的正確性和有效性。作為光引擎第二個(gè)研究重點(diǎn),論文以我們?cè)趪?guó)內(nèi)外首先提出的光棒(LightPipe)偏振復(fù)用思想為基礎(chǔ),進(jìn)一步研究了 LED相對(duì)光棒中心位置存在偏置時(shí)光棒對(duì)LED的角度分割與虛像形成原理,并利用成像光學(xué)軟件模擬了偏置LED照明光棒時(shí)虛像的形成過(guò)程。根據(jù)此原理計(jì)算了不同偏置LED與不同LED尺寸情況下的光棒尺寸,再將計(jì)算所得的光棒尺寸與前端成像透鏡、中間像面偏振復(fù)用系統(tǒng)(Polarization ConversionSystem,PCS)(第一次用平板等效代替)、后端積分透鏡、偏振分束器(PolarizationBeamSplitter,PBS)等利用成像光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行綜合優(yōu)化。最后將優(yōu)化結(jié)果輸入到非成像光學(xué)軟件,得到光棒虛像陣列的中間實(shí)像以確定PCS具體結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)與該實(shí)像陣列匹配,確保LED發(fā)散角范圍內(nèi)光能高效收集、均勻照明以及偏振復(fù)用。論文最后設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)8流明投射亮度,均勻性達(dá)到92%。相對(duì)于沒(méi)有應(yīng)用偏振光復(fù)用的微型投影光引擎,在保證均勻性的前提下,大大提升了微型投影系統(tǒng)的光效。作為光引擎第三個(gè)研究重點(diǎn),論文最后研究了 CF-LCoS投影光引擎的離焦不敏感長(zhǎng)景深鏡頭以滿足投影光引擎不需要調(diào)焦機(jī)構(gòu)的需求。新設(shè)計(jì)的鏡頭,在0.65m-2m的范圍內(nèi),其MTF仍然滿足CF-LCoS分辨率的要求,從而實(shí)現(xiàn)投影鏡頭的免調(diào)焦。這一鏡頭的研究有望大大簡(jiǎn)化微型投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),進(jìn)一步縮小微型投影系統(tǒng)的體積或尺寸。本博士論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性體現(xiàn)在:1)論文首次從理論同數(shù)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(gè)條件,并取得了與理論研究一致的模擬結(jié)果;2)首次根據(jù)入射光束角與目標(biāo)像斑尺寸,推導(dǎo)了復(fù)眼子眼的參數(shù)計(jì)算公式,利用復(fù)眼照明系統(tǒng)中的多重共軛成像關(guān)系,將復(fù)眼成像,中繼透鏡成像分別根據(jù)CF-LCoS要求進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化,最后將兩者通過(guò)孔徑與中間像匹配原則進(jìn)行復(fù)眼陣列組合,成功設(shè)計(jì)了大照明角度下的CF-LCoS復(fù)眼照明系統(tǒng)與微型投影系統(tǒng);3)首次研究了 LED相對(duì)光棒中心位置存在偏置時(shí)光棒對(duì)LED的角度分割與虛像形成原理,利用成像光學(xué)軟件直接進(jìn)行優(yōu)化,非成像光學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)PCS確定以及光引擎結(jié)果的分析評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上提出了多種光棒偏振復(fù)用系統(tǒng);大大提升了光棒類微型投影系統(tǒng)的光效率。4)采用逆向原理,有別于常規(guī)的波前編碼用于成像的方法,將波前編碼原理首次用于設(shè)計(jì)對(duì)焦不敏感的投影鏡頭,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了光引擎系統(tǒng)。
【圖文】：

１．１微型投影儀的定義逡逑所謂微型投影儀又稱口袋式投影機(jī)＼便攜式投影機(jī)【１．１】，在國(guó)外有個(gè)專門的單詞逡逑（Ｐｉｃｏ－Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）。圖１．１給出了目前主流的微型投影儀整個(gè)外形。逡逑ｘ逡逑圖１．１典型的微型投影儀逡逑微型投影儀主要通過(guò)ＬＣｏＳ或ＤＬＰ投影光引擎和ＬＥＤ光源以及集成的視頻解碼技逡逑術(shù)，把傳統(tǒng)龐大的投影機(jī)精巧化、便攜化、微小化、娛樂(lè)化、實(shí)用化，，使投影技術(shù)更加逡逑貼近生活和娛樂(lè)。逡逑微型投影儀的重量不會(huì)超過(guò)0．２Ｋｇ，散熱也做得比較科學(xué)，考慮使用環(huán)境，并不需逡逑要風(fēng)扇散熱或采用超小靜音風(fēng)扇散熱。逡逑微型投影儀可以隨身攜帶（放入口袋），屏幕可以投影至１０－５０寸或以上，因此，有逡逑時(shí)往往又稱微型投影機(jī)為口袋投影機(jī)，便攜投影儀，迷你投影儀，掌上投影儀等多種不逡逑同的叫法。不管這些叫法如何，其關(guān)鍵特性還是其尺寸的微型化以及便于攜帶。逡逑１．２微型投影儀主要應(yīng)用逡逑１．２．１微型投影儀的一般應(yīng)用領(lǐng)域逡逑圖１．２為微型投影儀的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景。微型投影儀的應(yīng)該十分廣泛，但歸納起逡逑來(lái)不外乎以下幾個(gè)方面［５．２］：逡逑１．完全取代ＭＰ５播放器：逡逑１逡逑

圖１．３微型投影多觸點(diǎn)技術(shù)觸摸屏逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH741.5

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本文編號(hào)：2690071