题目：投影显示技术的合色膜系设计
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1. 毕业设计综述 1.1题目背景 投影显示在近几年发展极为迅速,其中,尤以始于八十年代末,九十年代兴起的液晶投影显示更为突出,其不仅能实现高亮度和高分辨率的大屏幕显示,在图像对比度、稳定性等方面性能良好,而且体积小、重量轻、灵巧、方便,是一种较为理想的显示技术。据斯坦福资源(Stanford Resource)测算,19%年全世界销售近40万台液晶投影仪,销售额达63亿美元,1998年液晶投影仪销售60万台,而且每年还在以20%以上的速度稳步递增。预计2002年销售将超过150万台,市场潜力和发展前景十分巨大。[1] 1.2 研究意义 液晶投影显示系统中光学系统的核心之一就是合色系统。合色系统可以将白光分成红绿蓝三基色，再由合色系统合色投影到屏幕上产生彩色图像。[12]合色系统的功能是将RGB三色图像合成彩色图象通过投影镜头投射到投影屏上。合色系统中镀膜原件,即合色镜的膜系必须与分色系统的膜系相匹配,这样才能提高系统的光效率, 增强色彩还原的效果,并实现图像色彩更好的还原。[9] 1.3国内外相关研究情况 1930年真空蒸发设备的出现,使薄膜光学的飞速发展成为可能。而后在实验室里制造出了单层反射膜、减反射膜、分光膜和金属法布里一拍罗干涉滤光片等光学薄膜器件。 分合色系统主导系统颜色逼真再现,投影镜头实现能量的传送及决定投影屏幕上图像质量好坏。液晶投影机的分合色系统是处理投影色彩最主要的部分,同时也是光源利用效率跟光学引擎结构的主要决定因素。较早期开发的分合色利用双色镜实现分色与合色。 当代，按液晶调制的工作方式,液晶投影显示可以分为透射式液晶投影显示和反射式液晶投影显示。透射式液晶投影显示以有源矩阵扭曲向列型液晶显示（AMTNLCD）应用最多。[1] 反射式液晶投影显示的光学分色合色系统主要有:Philips棱镜系统,X-cube正方棱镜系统,星形棱镜系统等等。其中,Philips棱镜系统的分色合色采用同一组棱镜实现,结构最为紧凑,是反射式液晶投影显示的光学系统的发展方向。[10] Philips棱镜是一种常见的分色合色系统，分色合色薄膜同时承担着分色和合色的任务。合色时，棱镜工作在P偏振分量，因此Philips棱镜总的透过率为S和P偏振分量透过率的乘积。由于薄膜的偏振效应，S和P分量的光谱曲线分离是不可避免的。其结果是不仅使S和P分量之间光谱分离波段的部分光能量无法利用，而且这部分光将在
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Philips棱镜内部多次反射而形成杂散光。因此减少偏振分离的分色合色膜系既可提高光能利用率，又可减少杂散光的干扰而提高系统的对比度。 2. 研究方案 2.1 拟采用研究方案 [1] Philips棱镜是反射式液晶投影显示常用的系统,如图1。 合色系统中,绿光透射通过短波通和长波通膜系。蓝光是被长波通膜系反射。红光在合色时,先被短波通膜系反射,再透过长波通膜系。所以，我们可以测量Philips棱镜合色膜系的合成透过率、长波通膜系、短波通膜系。 图1 Philips棱镜分色合色系统结构图[1] Philips棱镜材料为Kg玻璃,n=1.5163。第1个面的入射角为16º,镀制了反蓝透红绿分色薄膜,其间是空气隙,光线换算到空气当中的出射角为24.8º。第2个面入射角为也是16º,镀制了反红透绿分色薄膜,然后胶合。 照明光束经PBS反射后,S-偏振光进入Philips棱镜,蓝光由1面反射后,再由3面全反射到达B液晶光阀；红光由2面反射后经1面全反射到达R液晶光阀；绿光透射。R、G、B三色光分别经三块液晶光阀调制后,转变为椭圆偏振光,再通过Philips棱镜合色后,其中P-偏振分量经PBS出射,由投影物镜在屏幕上形成彩色图像。 2.1.1 合成透过率 表1 Philips棱镜分色合色膜系的合成透过率要求[1] 波长范围（nm） 400错误！未找到引520错误！未找到引600错误！未找到引用源。480 Ts 错误！未找到引用源。0.5% 3
用源。560 Ts错误！未找到引用源。90% 用源。700 错误！未找到引用源。0.5% Tp 错误！未找到引用源。0.5% Tp错误！未找到引用源。90% 错误！未找到引用源。0.5% 膜系对S-偏振光的Ts=50%波长点应该选在5005nm和5805nm。 2.1.2 长波通膜系设计 长波通膜系基本结构：Glass/错误！未找到引用源。/Air。式中H是高折射率材料TiO2的错误！未找到引用源。层，其折射率约为2.2；L为低折射率材料SiO2的错误！未找到引用源。层，折射率约为1.46。设计波长错误！未找到引用源。为430nm。由这个初始结构通过改变每层的膜层厚度,利用优化工具,用单纯形的方法可以优化得到良好的膜系结构,这个优化后得到的膜系结构的特性满足长波通透红绿膜系的要求。 2.1.3 短波通膜系设计 短波通膜系的截止带在红光波段,设计的中心波长为675nm左右。设计所用的材料和长波通膜系采用的相同,即高折射率材料为TiO2,低折射率材料为SiO2。 采用经典的短波通膜系：G/错误！未找到引用源。/G作为初始结构，短波通膜系的入射介质和出射介质都是玻璃基板,采用胶合的方式。对透射设计主要考虑S-偏振光。 3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 本课题研究的重点：投影显示技术，投影液晶显示领域合色系统。 本课题研究的难点：利用膜系设计软件设计所需滤光片膜系结构，并达到优化效果。 前期已通过实验及查看资料了解课题目的、明确要解决的问题、要达到的程度、了解已经成熟的结局问题的方法途径，总结了查新结果，形成了自己解决问题的方案，并对方案经行必要的分析、计算、及工作量、工作内容的分析。 4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写） 2013.11.4-2013.11.11 查找有关资料，了解投影显示技术及合色膜系； 2013.11.18-2013.11.25 对查找的资料进行总结，撰写开题报告； 2013.12.9-2013.12.30 深入分析合色膜系系统； 2014.1.6-2014.2.24 通过相关程序实现自己的设计； 2014.3.9-2014.3.24 对程序不足处进行分析和总结，并完成论文撰写； 2014.3.29-2014.4.6 准备毕业答辩。
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指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日
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参考文献
[1] 黄昱勇 光学薄膜在投影显示和光开关中的应用 p41-53 [2] 张呜杰等 LED广色域投影显示系统实时色域校准的研究 [3] 甄艳坤 TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用 [4] 周杰 反射式投影显示光学系统的理论分析和应用研究 p21-36 [5] 缪莹莹 基于LED照明的DLP投影显示系统研究 p11-12 [6] 田志辉等 激光投影显示系统薄型化设计 p2-4
[7] 杨立功 顾培夫 宽锥角光束对分色合色膜色再现性能的影响 p1-4 [8] 张增宝 投影显示系统光学引擎研究 p62-72
[9] 顾建锋 液晶光阀光学引擎分色合色设计与仿真 p8-10,p16-29 [10] 熊静懿,贺银波等 液晶投影显示技术发展现状 p1-4
[11] 杨立功,顾培夫 液晶投影显示中分色合色膜系空间角度特性的研究 p1-3 [12] 陈卫斌,顾培夫 用于投影显示的分色合色膜系的消偏振设计 p1-3 [13] Ronald S. Gold Color in Electronic Displays p283-297 [14] K. Fujii, R. Kikuchi Ultrafast Phenomena IV p402-405
[15] Jean-Baptiste Thomas, Arne Magnus Bakke Computational Color Imaging p160-169
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