lcos微型投影光引擎杂散光研究和抑制

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1、LCoS微型投影光引擎杂散光研究和抑制摘要：为抑制LCoS光引擎的杂散光，在TracePro软件中建立了光引擎的光机模型，运用蒙特卡罗方法对该系统的杂散光进行了分析。通过仿真模拟及实验发现PBS棱边、成像透镜边缘、镜片隔圈以及镜筒内表面为产生杂散光的关键面。为此使用挡光片、表面发黑、镜片边缘及隔圈涂黑等方法对杂散光进行抑制。仿真及实验均表明上述方法可有效抑制杂散光。关键词：微型投影；杂散光；硅基液晶（LCoS）；TracePro；光线追迹中图分类号：0439文献标识码：A引言微型投影技术又称便携式投影技术、超微投影技术、“皮口”

2、投影技术，利用此技术开发的产品也被形象地称为掌上投影机、口袋投影机。相对传统的电视等显示技术，携带方便是微型投影技术的最大优势。微型投影机的迅猛发展，给经常移动演示的商务人士以解放。2005年至今，微型投影技术在市场需求的驱动下，发展极为迅速。发展至今，微型投影技术一共衍生出了LCD、LCoS、DLP三种主流技术,分别对应三种微显示芯片：LCD（liquidcrystaldevise,液晶显示器)、LCoS(liquidcrystalonsilicon,硅基液晶）、DMD（digitalmicromirrordevices,数字

3、微反射镜阵列）。LCoS是2000年以后发展起来的最新液晶投影技术［1］,相对LCD技术与DLP（digitallightprocessing,数字光处理）技术，LCoS技术具有高分辨力、高开口率、色域广、成本低等优势，文中以LCoS微投影显示系统为对象。光学系统的杂散光可理解为设计者不希望到达像面或探测面的那部分光线。杂散光对光学系统（特别是空间光学系统［2］）的成像质量有严重影响，由于杂散光的存在会降低系统对比度、信噪比和成像质量，严重者会导致设计失败,因此抑制杂散光是相当重要的课题［3］。光学系统杂散光依其来源可分为两大类

4、：（1）非成像光束在像平面产生的亮斑,这主要是由于没有对视场外光线进行有效的遮拦或机械结构缝隙的漏光导致；（2）光学系统因为散射、衍射、多次反射等产生的非定向杂散光，这部分杂散光主要包括透射光学表面和镜筒内壁等非光学表面的多次反射，以及由于光学表面擦伤等光学表面质量问题产生的散射光。第一类杂散光具有一定的方向性；第二类则强度较低，其方向杂乱无章。蒙特卡罗方法是以概率统计为基础，使用随机数来解决问题的一种算法。使用Tracepro进行杂散光分析，按不同的表面属性，每条光线在分界面的吸收、反射、透射、散射等传播都由服从概率分布的随机

5、数决定。文中利用TracePro软件对LCoS微型光引擎的杂散光进行了模拟仿真，找到了系统杂散光的来源，提出了增加挡光装置、对关键面进行处理等抑制杂散光的方法。1基于LCoS的投影光学系统现研究的投影光学系统总体结构如图1所示。光源为大功率白光LEDOLED具有体积小、寿命长、发光效率高、光谱中无紫外及红外成分等优点，适合作为微型投影机的光源使用。空间光调制器为color-filterLCoS显示芯片。LCoS即硅基液晶，是一种基于CMOS(complementarymetaloxidesemiconductor)工艺的反射式液

6、晶显示技术。由于工作模式为反射式，相关电路驱动部件放置在背面，故其克服了传统透射式LCD开口率、对比度、分辨力偏低等缺点。投影光学系统主要由照明与成像两部分组成。出于体积、成本等方面的考虑，照明部分采用单片旋转对称非球面透镜。LED发出光束经过该透镜后在目标面上被整形为具有一定入射角的圆型光斑［4］。LCoS有效区域尺寸5.76mmX4.32mm(对角线长度0.28英寸)。为保证LCoS被均匀照明，只有圆斑中央与LCoS大小相同的一部分区域才能被利用，超出的部分则照射在LCoS面之外的区域，这部分光线是第一类杂散光的主要来源。由

7、于液晶自身的特性其只能调制特定振动方向的偏振光，而LED发出的是具有各个振动方向的自然光，故需要在LCoS前置一块偏振分光棱镜(polarizationbeamsplitter,PBS)OPBS棱镜一般由两块高折射率的直角棱镜胶合而成，斜面制备多层薄膜以实现对S光高反射对P光高透射，上下表面为磨砂面，其余各光学面均制备增透膜。如图1所示，亮态投影时入射到LCoS的S光被调制为P光反射出去，穿过PBS后经物镜成像在屏幕，暗态投影时入射的S光未被调制仍然以S偏振态出射，被PBS棱镜反射回照明光路无法到达屏幕。结合3D建模软件ProE

8、在TracePro中建立光机实体模型，然后赋予各实体材料属性及表面属性。各光学面均已镀增透膜且光学系统自身较为简单，暂不考虑光线在分界面的多次反射［7］产生的杂光，故各光学面均设置为PerfectTransmitteroPBS上下表面及镜片边缘设置为Frosti