高分辨率LCOS光学引擎的光学系统设计

论文摘要

随着电视技术的发展,大屏幕、轻薄、高分辨率和像质良好将成为主流。投影电视尤其是LCOS投影电视将会是未来的发展方向之一。光学引擎是投影电视的核心部件之一。做为成像器件,要求在短距离内实现大放大倍率和无畸变清晰良好的画面质量。本文首先介绍LCOS技术和LCOS芯片的技术特性,然后针对塑料非球面的应用介绍了塑料非球面设计的特点和设计原则；又简要介绍了光学设计原理和像差理论的知识,其中包含了远心光路的一些特点,最后分析了设计要求得到要设计的投影物镜的各个参数,结合以前设计的投影物镜,设计出符合要求的投影物镜并进行了公差分析。本文根据以往的投影物镜设计经验,分析投影物镜的结构选择,给出投影物镜的参数分配。大屏幕的投影物镜要求像质好,尤其对色差和畸变的要求很高。单个LCOS像素的大小为8.1um,通过分析投影物镜的色差要小于半个像素即4um,畸变小于0.5%。优化过程中通过玻璃材料的配合和优化函数的设定来控制色差的大小。最终优化设计出一款折转角为90度、F数2.3、焦距为9.4mm、远心度小于1度、色差小于半个像素4um、畸变小于0.3%、投影尺寸为65英寸、总长度符合要求的LCOS投影物镜,该系统采用一片塑料非球面,所采用的玻璃材料均为国内常用玻璃材料。组后LCOS投影物镜进行了公差分析,得出了符合企业工艺性能的适合批量生产的公差数据,结果令人满意。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 LCOS光学引擎简介
• 1.2.1 LCOS技术概述
• 1.2.2 LCOS光学引擎技术
• 1.3 国内外LCOS投影的现状
• 1.4 本论文主要内容
• 2 光学非球面和光学设计原理
• 2.1 塑料非球面技术简介
• 2.1.1 塑料非球面概述
• 2.1.2 塑料非球面设计的规则
• 2.1.3 几种主要的光学塑料
• 2.2 光学设计概述
• 2.3 光学自动设计基本原理
• 2.4 本章小节
• 3 基于ZEMAX的几何像差校正
• 3.1 像差来源
• 3.2 轴向色差的校正
• 3.3 垂轴色差的校正
• 3.4 轴外点的子午和弧矢像差的校正
• 3.5 畸变的校正
• 3.6 本章小节
• 4 光学引擎LCOS投影物镜设计
• 4.1 投影物镜的简要描述
• 4.2 投影物镜的参数分析
• 4.2.1 投影物镜的设计参数要求
• 4.2.2 投影物镜的焦距初算
• 4.2.3 投影物镜的视场角初算
• 4.2.4 投影物镜的光学传递函数分辨率计算
• 4.2.5 投影物镜的色差分析
• 4.2.6 投影物镜中远心光路的应用
• 4.3 基于Zemax的投影物镜像质评价
• 4.3.1 子午和弧矢光束垂轴像差曲线
• 4.3.2 垂轴色差
• 4.3.3 轴外细光束像差曲线
• 4.3.4 点列图（弥散斑）
• 4.3.5 波像差
• 4.3.6 点扩散函数和包围圆能量
• 4.3.7 传递函数
• 4.4 投影物镜的初始结构选取
• 4.4.1 初始结构的确定
• 4.4.2 初始结构的的对比分析
• 4.5 投影物镜的优化过程
• 4.5.1 评价函数的设定
• 4.5.2 优化过程
• 4.6 投影物镜的设计结果
• 4.7 本章小节
• 5 投影物镜光学系统公差分析
• 5.1 光学系统公差分析的原理
• 5.2 公差分析的步骤和公差分配原则
• 5.2.1 公差分析步骤
• 5.2.2 公差分配原则
• 5.3 基于Zemax的LCOS光学系统公差分析
• 5.4 本章小节
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录