激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究.pdf

第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ，年 月 ，文章编号：（）激光应用技术激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究李克强，郭宇杰，谭桂林，刘杰，钟建（电子科技大学，四川 成都 ）摘要：针对激光投影出现的色均问题，本文首先对照明主体进行了设计，通过加入反射镜增加蓝光光程，缩短绿光光程，并在不同位置加入扩散片实现对色均的降低，并在此照明主体的设计之上，完成整体激光投影显示系统的设计，通过仿真搭建激光显示系统来研究三基色光源通过不同角度，类型，位置的动态 静态扩散片后所成图像的色均问题，并依据仿真结果进行实验。仿真以及实验结果表明，色均明显降低，搭配 高斯 情况下色均小于 ，照度均匀性大于 ，达到行业领先水平。关键词：显示；激光投影；色均；照度均匀性中图分类号：；文献标识码：，（，）：，：；基金项目：国家自然科学基金联合基金资助项目（）；四川省科技计划资助项目（；）资助。作者简介：李克强（），男，硕士研究生，研究方向为光学工程。：通讯作者：钟建，男，主要从事信息显示，光电子器件，传感器件，新能源及电路等技术研究。：收稿日期：；修订日期：引言投影显示技术主要分为阴极射线管（），液晶显示（），硅基显示（），数字光处理（）这四种类型 。其中 投影显示中使用激光投影是目前研究的热点之一。激光投影显示因高利用率，高对比度、高亮度、寿命上、大色域、颜色鲜艳、还原度高、色彩丰富等优点，在市场中受到热捧 。与此同时，激光投影也出现了很多问题，其中色均和散斑问题是激光显示的重大问题。色度不均匀的首要表现就是图案的不均匀，严重的地方可以看到一团一团的光斑，特别是投影系统切换到单色场观察时，图案各个地方严重不一致，有的地方色调特别突出显著 ，如图 所示。其原因在于光束在照明系统中处理不均匀。激光是单色性光源，需要经过扩束、整形、匀场这三个过程中的光学设计，这几个环节都会影响色匀性问题 。因此照明系统的设计直接影响着色均问题，需要特别注意照明系统对光束的扩束、整形、匀场处理。本文基于传统投影系统做出创新，设计新的照明方案，同时以扩散片为变量进行对照实验，可变条件为扩散片的位置，角度，类型，最终实验出最佳的搭配组合。与此同时，相比于传统 结构，本文使用 结构设计，计算出其角度大小，设计该模型。匀光元件选择光棒，根据 的大小以及角度，计算出投影系统的光学扩展量，设计光棒的大小尺寸。将系统设计完成后，通过仿真以及实验验证，最终搭建激光投影显示系统，可以在系统光通量达到 流明（）的情况下，实现色均小于 ，同时照度均匀性达到 以上。图 色均质量展现 激光显示系统设计本文主要关注点是照明系统，研究照明系统对激光光束的作用，最终成像到屏幕上，直接观看图像质量。在这里首先计算系统中的一些重要参数，根据这些参数进一步设计出照明系统中重要元件参数，最后再模拟优化仿真，最后依据仿真结果去组装实验，得到最终的实验结果。三刺激值与色坐标在国际照明组织 的标准下，只要选用的光源确定，那么就可以根据三刺激值计算得出显示色域大小 ，并且激光光源的功率就可以按照一定的比例匹配合成确定的白光。根据色度学三刺激值与光谱功率分布之间的关系如式：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，是调节系数，是一个常数，（）是辐射亮度，分别是单波长的刺激值，计算整体的三刺激值后，如式（）、（）、（）所示，计算得到的 ，坐标即色点坐标值。（）（）（）根据使用的激光器，查找 标准色度光谱三刺激值表中所对应的三刺激值，代入公式，计算出用这三个波长的激光器合成等能白光的辐射亮度之比。这里做一个简化，因为使用的 ，的两列红激光，计算时选择 作为红光的三刺激值 ，见表。表 三刺激值计算 波长 光谱三刺激值 假设其中辐亮度之比分别为 ，根据表数据，计算得出三刺激分别变为 ，解得 。也就是各颜色的功率之比为 。激 光 与 红 外 李克强等激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究 棱镜角度的计算本文采用远心结构设计，同时 棱镜采用的是 棱镜设计。棱镜是入射光线的入射角度大于临界角在棱镜上先发生全反射，进入 ，然后出射；但是 棱镜的原理是入射光首先进入 调制，然后出射光的出射角度大于临界角在棱镜上发生全反射 。和 结构如图 所示。图 和 结构 两种结构各有优缺点，结构光束的光程比较长，结构体积大，而 反之。现在求解 棱镜 的角度大小。如图 （）所示，照明光束进入棱镜后在其下表面发生折射，出射光线入射到 上的角度为 ，根据折射定律：（）光线在进入成像系统时棱镜的反射面上发生全反射，则变换为如式（）所示：（）式中，为棱镜材料折射率，选用的是 公司的 ，其中折射率为 ，为 芯片翻转角度 。结构如图 所示。图 设计与角度计算 对棱镜 的数学几何关系：（）得到 ；。因此 棱镜的角度为 。光学扩展量计算光学扩展量与能量传输效率有很大关系，在整个光学系统中，如果计算光束经过每一个光学元件的光学扩展量，会有一个最小的光学扩展量。这个扩展量所代表的元件也就限制了能量的传递，即受光学调制器 所限制。如果光源的光学扩展量大于 的光学扩展量，光束经过 时，会有能量传输损失，造成光效率降低；如果 的光学扩展量大于光源的光学扩展量，虽然能量能很好传递出去，但是会造成 尺寸选择偏大，浪费 空间。综上，在设计光学系统的时候一定考虑光学扩展量的匹配，能最大化获得光能的同时，还不造成浪费 。首先计算照明系统的 ，光调制器的最大光锥角度为 ，所以也决定了该系统的焦数，焦数计算式：（）因为选用的是激光阵列激光器，那么计算 是 时，且根据 相关说明书如表 所示，在 上设计该特性，如图 所示。图 尺寸在 中设置 表 相关规格特性 ，激 光 与 红 外 第 卷那么根据有效区面积计算光学扩展量，见式（）：（）（）根据光扩展量匹配，进入 的光学扩展量与它相同，激光阵列需要进行扩束后经过聚焦透镜进入 ，而 的倾斜角为 ，为了让 状态与 状态光束分离，照明光束要小于 （数值孔径调整为 ），同时照明光束与 状态分离要求照明光束入射角大于 ，但是根据棱镜的工作原理，照明光束与 状态光束必须大于全反射临界角，为了避开全发射附近的的低透过率区域，照明光束主要光线采用的 入射。即入射角度 ，计算如式：（）。按照 的 比例为 ：，而面积等于高乘宽，假设宽为 ，则可以表达如式：（）计算光棒 的宽度为 ，高度为 ，如图 所示。长度是根据反射定律计算的，这里 采用内部空心，四周为高反介质。假设入射角 ，的高度 ，反射一次距离为 ，那么在 里反射 次总长为 ，假设 无限长，那么光线分布就无限的均匀。光线的分布随着的距离长短影响均匀度，为了达到合适的均匀度，设定 的长度为 。图 尺寸设计图 聚焦透镜设计将各路激光光束合光在一起后，这个时候的光斑较大，无法完美地送入光棒里，这个时候就需要对光束进行聚焦透镜设计，这里的聚焦透镜采用两个透镜组，分别是平凸透镜和凸透镜，设计详情如表 所示。照明系统设计根据光学扩展量的计算可以得到光孔径大小，相比与传统设计框架，激光投影中的不同之处在于能量密度高，光谱窄。如何将阵列激光三种颜色光汇合在同一主光轴上，这是设计光路时需要考虑的。激光阵列中红激光是两个阵列，而绿蓝激光分别是一个阵列，如果不对红光处理，就会有两个光轴，绿光对人眼的感官影响是最大的，所以设计时绿光应该尽可能的使用较短的光程，而蓝光对人眼的感官是比较小的，可以考虑将蓝光分离的更远，使用较远的光程。表 聚焦透镜属性 单位 直径 厚度 前表面曲率半径 后表面曲率半径 光学属性透过率 透过率 由此产生了照明方案，如图 所示，将两列红光经过 的反射，分别作为光轴，蓝光分离出去，依次经过 、反射，经过 （）分光镜后，分别通过 （）二向色镜和 ，然后和两列红光汇合。绿光经过 分光镜后图 照明方案 设计图 激 光 与 红 外 李克强等激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究与蓝光混合成蓝绿光，然后都在 与红光汇合。汇合后的光线经过反射镜和会聚棱镜 、后经过动态扩散片，进入 中匀光，后续进入 调制器中。其中三个静态扩散片 在使用是只需要开启一个，其他两个禁用。仿真及实验结果 仿真参数设置相关元件给出规格大小，如表 所示。表 照明主体中光学原件参数 类别元件名称规格 材料镀膜损伤阈值（）反射镜 分光镜 二向色镜 反射镜 聚焦透镜 光棒 高反介质膜分光介质膜滤光介质膜高反介质膜减反射膜高反介质膜 其中，除开光接受面，其他面设置为光学吸收面，只有在光束接触面设置为反射面，光学属性设置为平滑光学，反射率为 ，透过率和吸收率设置为 。是分光元件，光学属性设置为对于任何波长的光一半透射，一半反射。是?通滤波器，其中方案一中 允许通过红色激光，而对其他颜色的光反射，其反射率如图 所示。仿真结果仿真结果如表 所示。图 光学属性 表 不同扩散片和高斯角度仿真结果 照度均匀性色均匀性光效点 点 点 点 点 点 屏幕 （）（）（）（）（）（）备注：每种仿真中都有动态 ，它的位置固定，扩散半角为高斯 。从屏幕效率上看，的整体光通量偏低，不符合设计要求，而从 点的照度均匀性和整个系统的光能利用率上看，高斯 和 高斯 的搭配最佳，高斯 和激 光 与 红 外 第 卷 高斯 是因为色均匀性太差。最终的结果可以看出，高斯 比高斯 更匹配对激光的扩束匀场作用。如图 ，图 给出了 高斯 的仿真结果。图 高斯 仿真结果 图 仿真效果图 实验结果以及结论依据前文设计的照明系统，最终仿真结果可以达到预期效果，进行实验测量。按照示意图安装，并且调试，加载相关电路板组装实验（如图 所示）。特别注意光路的搭建准则。角度，水平和准直需要精细调整。其中厂家给的扩散片中有两种不同类型的扩散片，分别是高斯型，平顶型。平顶型扩散片是将激光转化为任意形状的均匀光斑，特别是激光的越大，均匀效果越好，散斑抑制明显。实验主要针对前文仿真效果较好的 高斯 与 高斯 组合。图 实物内部图 高斯 实验结果照度与色坐标数据如图 所示。图 高斯 实验结果 激 光 与 红 外 李克强等激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究其中面积 ；光通量为 照度面积 ，计算结果如表 所示。表 高斯 实验结果 点 点照度均匀性 对比度 最后，在位置 即 位置分别使用高斯 和高斯 扩散片。高斯 面积为 ；光通量为 照度面积 ，计算结果如表 所示。表 高斯 实验结果 点 点照度均匀性 对比度 使用 高斯 扩散片的光通量最高达到 ，色均匀性无论是 点还是 点都低于 ，点照度均匀性高于 ，点高于 ，表现极其优秀。小结现代显示技术的优异直接决定人们获得信息的多少。在激光投影领域，激光由于自身特性的优异，成为众多光源中的首要选择 。激光单色性强，形成的色域空间也大，色彩表现力强，颜色丰富，能够达到人眼所能识别色彩空间的，可以更真实的实现色彩还原。本文对激光显示中的照明系统进行设计 尺寸大小计算出整个系统中光学扩展量，因此，进一步设计光学均匀棒 的大小尺寸。后续根据三刺激值计算得到三种光源的光学能量比。参考到激光阵列的位置，本文想要把三基色激光整合在一起，设计中需要不同类型的滤光片，最终形成照明系统。在 上建模优化设计，同时搭载 的投影镜头，开启三基色光源，进行色均匀模拟仿真。此过程中，控制变量为扩散片：不同位置，不同度数以及不同类型的扩散片。最终模拟结果表明搭载 和高斯 的结果更优异，其原因在于它尽可能将三基色的主光线汇入光路中，使得后续光学元件如动态 静态扩散片和匀光棒更好的处理这些光线。总的来说，我们在原有激光显示投影系统的基础上进行了再设计，在提高色均性的同时，光通量并未受到较大影响，同时照度均匀性也得到了提升。参考文献：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，激 光 与 红 外 第 卷 ，（）：，：，（）：，：，（）：，：（）钟岩 基于 技术的激光投影系统光路设计 长春：长春理工大学，：，：（）刘振杰 光源照明 折反射超短焦投影光引擎系统研究 杭州：浙江大学，：，（）：（）许祖彦 激光显示 新一代显示技术 激光与红外，（）：，（）：（）郝丽，张岳，刘伟奇，等 激光显示中散斑的抑制 激光与红外，（）：激 光 与 红 外 李克强等激光投影显示色均问题的仿真计算和实验研究