Актуальность, цель и задачи работы, методы исследования.
С развитием высоких технологий и широким использованием компьютеров в современном обществе, а также с внедрением телевидения высокой четкости и электронного кинематографа становится необходимым применение высококачественных систем отображения информации (СОИ).
В последнее время проекционные СОИ на основе микродисплеев (МД) находят все большее распространение, поскольку обладают рядом преимуществ (главным образом значительно меньшей стоимостью) по сравнению с альтернативными дисплеями, такими как плазменные панели или жидкокристаллические телевизоры.
В связи с повышением требований к размерам и качеству воспроизводимого изображения (разрешению, контрастности и яркое&trade-) важным становится высокая световая эффективность проекционного дисплея (под которой понимается отношение выходного светового потока, формируемого проекционным дисплеем на экране, к полному световому потоку источника света).
Несмотря на то, что в мире было проведено большое количество исследований и разработок в области проекционных дисплеев на основе МД, задача повышения качества изображения наряду со световой эффективностью по-прежнему стоит остро. В частности это связано с тем, что оптическая система проекционных дисплеев имеет целый ряд оптических элементов, точное моделирование и анализ которых весьма затруднены, и традиционные методы разработки к ним не применимы.
Кроме этого в русскоязычной литературе особенности разработки проекционных СОИ на основе МД освещены явно недостаточно.
В представленной работе систематизируются существующие на настоящий момент знания в области проекционных дисплеев, и разрабатывается общая методика оценки их световой эффективности. Это говорит об актуальности выполненной работы.
Целью диссертационной работы является исследование особенностей разработки цветного проекционного дисплея на основе МД (в частности на базе ЖК.
МД) и разработка методики оценки полной световой эффективности. Необходимо выделить следующие задачи исследования:
• исследовать ключевые элементы проекционных дисплеев, вносящих световые потери;
• провести сравнительный анализ различных оптических схем проекционных дисплеев на базе МД (одно-, двухи трехпанельных);
• разработать методику определения полной световой эффективности проекционного дисплея;
• исследовать возможные методы повышения световой эффективности и улучшения качества изображения проекционного дисплея на основе полученных результатов;
• предложить простой, но точный метод моделирования дуги газоразрядной лампы;
• предложить схему осветителя с повышенной световой эффективностью. В процессе исследования использовались следующие методы:
• метод модифицированного обратного преобразования Абеля для моделирования дуги разрядной лампы;
• методы лучевой геометрической оптики для расчета хода лучей через различные оптические элементы проекционного дисплея;
• аналитический метод расчета колориметрических характеристик цвето-формирующей системы;
• математический аппарат и численные методы оптимизации. Научная новизна работы заключается в следующем:
• разработана сравнительно простая, но достаточно корректная методика оценки световой эффективности проекционного дисплея;
• предложена и защищена авторским свидетельством оригинальная схема осветителя с использованием контротражателя;
• разработана методика компьютерного моделирования проекционного дисплея на базе МД различного типа.
Практическая ценность работы заключается в том. что методики, предложенные в работе, а также теоретические результаты могут быть использованы для ускоренной разработки и создания проекционного дисплея с высокими световой эффективностью и показателями качества изображения. Кроме этого, методики и результаты моделирования отдельных элементов (таких, как разрядная дуга, световые интеграторы для создания равномерного освещения, системы преобразования поляризации) могут быть также применены для создания высокоэффективных осветительных систем, применяемых в фотолитографии, спектроскопии и т. п.
Разработанная в диссертационной работе методика проектирования высокоэффективной проекционной системы использована при создании прототипа проекционного телевизора в компании «Samsung Electronics Со.», а также используется в учебном процессе кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Бауманаметодика разработки проекционного объектива внедрена в НИОКР, проведенных в компании ООО «АР Технологические исследования», что подтверждается соответствующими актами.
По теме исследований, проведенных автором, опубликовано 3 статьи и подано две заявки на изобретение.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 116 наименований, содержит вместе с приложениями 285 страниц машинописного текста, 175 рисунков, 14 таблиц. Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
1. Amm David Т., Corrigan Robert W. Grating light valve technology: update and novel applications 1. SID Int. Symp. Tech. Dig. -1998. — Vol. 29. — P. 29−33.
2. Amm David Т. Corrigan Robert W. Optical performance of the Grating Light Valve technology // Photonics West-Electronic Imaging. -1999. Vol. 32. P. 34−39.
3. Anderson Duncan J. Uniform color illumination for scrolling color LCoS projection // Projection Display VIII: Proceedings Of SPIE. 2002. — Vol. 4657. — P. 46−53.
4. Anderson James E., Gandhi Jignesh, Erdmann John. Vertically aligned field-sequential microdisplay // SID 02 Digest. 2002. — Vol. 33. — P. 958−961,.
5. Application notes. Color wheel. 2004. www.ocIi.com.
6. Application notes. CQ3™. balancing performance with cost. 2004. www.colorlink.com.
7. Application notes. Optically flat polarizing beamsplitters. Catalog No PBF02A. May 2004. www.profluxpolarizer.com.
8. Application notes. PolarCorrect™. -2004. www.colorlink.com.
9. Application notes. ProFlux™ PBS with LCoS.- 2002. www.profluxpolarizer.com.
10. Armitage David, Underwood Ian. Microdisplays move outside the box II SPIE’s OE Magazine. -2002, Nov. P. 28−30.
11. Arnold Stephen, Gardner Eric. An improved polarizing beamsplitter for LCOS projection display based on wire-grid polarizers // SID 01 Digest. 2001. — Vol. 32. -P. 1282−1285.
12. Bachels Thomas, Schmitt Klaus, Shadt Martin. Advanced electronic color switch for time-sequential projection//SID 01 Digest. -2001. Vol. 32. — P. 1080−1083.
13. Bahadur B. Liquid crystals: applications and uses: Vols. 1−3. New York: World Scientific, 1990. — 884 pages.
14. Banas D. Ferroelectric liquid-crystal spatial light modulators for projection display // SPIE Proceedings. -1996. Vol. 2650. — P. 229−232.
15. Berggren Glenn. The color of light on the screen new measurements at studios and laboratories //SMPTE Journal. -1997. — Vol. 106. P. 156−158.
16. Bleha W. P. Image light amplifier (ILA) technology for large-screen projection II SMPTE Journal. 1997. — Vol. 106, No 10. — P. 710−717.
17. Born M., Wolf E. Principles of optics, 6th edition. Oxford: Pergamon Press, Oxford, 1980.-855 pages.
18. Braat Joseph. Analytical expression for the aberration coefficients of a tilted plane parallel plate //Appl. Opt. -1984. Vol. 21. — P. 3213−3218.
19. Brennesholtz M.S. Light collection efficiency for light valve projection systems // SPIE Proceedings. -1996. Vol. 2650, P. — 71−79.
20. Cassarly W. J. Designing efficient illumination systems: the art of uniformly coupling flux from a source. Optical Research Associates.
21. Chang C. M., Shieh H. D. Design of illumination and projection optics for projectors with single digital micromirror devices //Applied Optics. 2002. — Vol. 39, No. 19. — P. 3202−3208.
22. Chen J. M., Robinson M. G., Sharp G. Two-panel architecture for reflective LCD projector// SID 00 Digest. 2000. — Vol. 31. — P. 1084−1087.
23. Cowan Matt, Nielsen Loren. Considerations for choosing white point chromaticity for digital cinema // SMPTE 143rd Technical Conference and Exhibition. 2001.
24. De Vaan A.J.S.M., Van de Brandt A.H.J. Polarization conversion system for LCD projection II Proceedings of Eurodisplay IDRC. -1993. P. 253−256.
25. DeLang. H. Compensation of aberrations caused by oblique plane parallel plate // Philips Res. Reports. -1957. Vol. 12. — P. 131.
26. Dewald D. Scott, M. Penn Steven, Davis Michael. Sequential color recapture and dynamic filtering: a method of scrolling color// SID 01 Digest. 2001. — Vol. 32. P. 1076−1079.
27. Dickey F. M., Holswade S. C. Laser beam shaping theory and techniques. New York: Marcel Dekker, Inc., 2000. -428 pages.
28. Duelli M., McGettigan T., Pentico Clark. Integrator rod with polarization recycling functionality // SID 02 Digest. -2002. Vol. 33. — P. 1078−1080.
29. Eckhardt Stephen, Bmzzone Charles. 3M PBS for high performance LCoS optical engine. Proceedings of SPIE. -2003. Vol. 5002. — P. 106−110.
30. Gardner Eric, Hansen Douglas. An image quality wire-grid polarizing beam splitter // SID 03 Conference Presentation. 2003.
31. Ghi Hong Young, Bowron John W. Novel optics for high performance projection systems and monitors (current and future) // Projection Displays IX, SPIE Proceedings. 2003. — Vol. 5002. — P. 111 -122.
32. Gove R. J. DMD display systems: the impact of an all-digital display // SID Int. Symposium. -1994, — Vol. 25. P. 673−676.
33. Hornbeck Larry J. Digital light processing for high-brightness, high resolution applications // SPIE Proceedings. 1997. — Vol. 3013. — P. 2710.
34. Itoh M., Yamamoto Y., Yoneda H., Yamane Y. High-resolution low-temperature poly-Si TFT LCDs using a novel structure with TFT capacitors // SID Digest.1996.-Vol. 27.-P. 17−20.
35. Itoh Y. Ultra-high efficiency LC projector using a polarized light illumination system //SID Digest. 1997. — Vol. 28. — P. 993−995.
36. Jacobson B. A. Creating a radiant source model of an LED die II Bright Ideas, -2003, No. 4 (August).
37. Jacobson B.A., Gendelbach R.D. Stewart C.N., Rutan D.M., Metal halide lighting systems and optics for high efficiency compact LCD projectors II SPIE Proceedings. 1998. — Vol. 3296. — P. 38−45.
38. Jenkins D. R., Monch H. Source imaging goniometer method of light source characterization for accurate projection system design // SID 00 Digest. 2000. — Vol. 31. — P. 862−865.
39. Jepsen M.L., Ammer M.J., Bolotski M. 0.9″ SXGA liquid crystal on silicon panel with 450 Hz field rate // SID 01 Digest. 2001. — Vol. 32. P. 33−36.
40. Jepsen Mary Lou. LCoS rear projection television: a comparison of single and multi-panel projection engines // 2002. www.microdisplay.com.
41. Judd D.B., Wyszecki G., MacAdams D.L. Spectral distribution of typical daylight as a function of correlated color temperature. Journal of Optical Society of America.1997. Vol. 54. — P. 1031.
42. Kuwata Muneharu. Wide angle projection optics for compact rear projector // SID 05 Digest. -2005. Vol. 36. — P. 1918;1921.
43. Kwok Hoi-Sing, Cheng Po-Wing. Trichroic prism assembly for separating and re-combining colors in a compact projection display // Applied Optics. 2000. — Vol. 39, N1.-P. 168−172.
44. Laikin M. Lens Design. New York: Marcel Dekker, Inc., 1991. — 421 pages.
45. Li K. Efficient dual paraboloid reflector illumination system for projection display // SPIE Proceedings. -2002. Vol. 4775. — P. 124−134.
46. Ling L. C., Yen Y. I., Ho F. C. An efficient illumination system for single-panel LCD projector//SID 01 Digest.-2001. Vol. 32.-P. 1184−1187.
47. MacCamy C.S. Correlated color temperature as an explicit function of chromaticity coordinates // Color Research & Application. Vol. 7. — P. 142−144.
48. McLaughlin Charles W. Comparison of microdisplays based rear projection televisions //www.mcgweb.com (2000).
49. McLaughlin Charles W. Progress in projection and large-area displays II Proceedings of the IEEE. 2002. — Vol. 90, No.4. — P. 32−38.
50. McLaughlin Charles W., Armitage David, Prospects for microdisplay-based rear projection //SPIE Projection Displays IV. -1998. Vol. 3296, — P. 2−12.
51. Moench H., Deppe C., Hechtfischer U., Heusler G., and Pekarski P. Controlled electrodes in UHP lamps //SID 04 Digest. -2004. Vol. 35. — P. 946−949.
52. Moench H., Ritz A. Higher output, more compact UHP lamp systems // SID 02 Digest. 2002. — Vol. 33. P. 1160−1163.
53. Monch H. Optical modeling of UHP lamps // SPIE Proceedings. 2002. — Vol. 4775. — P. 36−45.
54. Monch H., Derra G., Fischer E. Optimized light sources for projection displays // SID Digest. -1999. Vol. 30. — P. 1074−1079.
55. Mushiake N. Sawai Y., Tani H. New polarization conversion device // IDW Proceedings. 1999. — P. 1021−1024.
56. Oana Y. Technical developments and trends in p-Si TFT LCDs // Journal of non-crystal Solids. 1989. Vol. 115. — P. 27−32.
57. Ogawa J., Agata K. Super-short focus front projection with aspheric mirror projection optical system II SID 04 Digest. 2004. Vol. 35. — P. 170−173.
58. Ohuchi S., Kakuda T., Yatsu M., Ozawa N. Compact LC projector with high-brightness optical system // IEEE Trans. Consumer Electronics. 1997. — Vol. 43, No 3. — P. 801−806.
59. Optical design program user’s guide, Zemax™. www.zemax.com.
60. Optical design program user’s guide: computing spot size. Oslo™. www.sinopt.com/learning1/desnotes/spotsize.htm.
61. Optical design software. FilmStar™. www.ftgsoftware.com.
62. Patent #1 387 207 (Europe). Projection display apparatus / Kurioka Yoshiaki. -2003.
63. Patent #2 403 731 (USA). Beam Splitter / S. M. MacNeille. -1946.
64. Patent #3 202 039 (USA). Optical system for a color television camera / Lang H. De, Bouwhuis G. -1965.
65. Patent #389,240 (Europe). Polarizing beamsplitter apparatus and light valve image projection system / Y. Miyatake. -1990.
66. Patent #4 305 099 (USA). Illumination system / True T., Good W. -1980.
67. Patent #5 418 583 (USA). Optical illumination system and projection display apparatus using the same / Matsumoto Y. -1995.
68. Patent #5 552 938 (USA). Projection device for projecting an original image onto a screen / Sugawara, Saburo. -1996.
69. Patent #5 658 060 (USA). Arrangement for projection displays employing reflective light valves / D. B. Dove. 1997.
70. Patent #5 662 401 (USA). Integrating lens array and image forming method for improved light efficiency / Shimizu J., Janssen P. -1997.
71. Patent #5 805 350 (USA). Projection lens / Yamamoto. -1998.
72. Patent #5 822 129 (USA). Projection Lens System / Sekine, Atushi. -1998.
73. Patent #5 969 876 (USA). Projection lenses having large back focal length to focal length ratios / Kreitzer, Melvyn. 1999.
74. Patent #6 005 655 (USA) Projection lens/ Mushiake N. -1999.
75. Patent #6 457 834 (USA). Oblique display apparatus / Cotton Christopher T. 2002.
76. Patent #6 486 997 (USA). Reflective LCD projection system using wide-angle cartesian polarizing beam splitter / Bruzzone C. -2002.
77. Patent #6 631 994 (USA). Suzuki Hiroshi, Shikama Shinsuke. 2003.
78. Patent application #2002/71 186 (USA). Ozawa Soh. 2002.
79. Patent application #2003/197 954 (USA). Projection lens / Ikeda. 2003.
80. Patent application #2003/202 161 (USA). Kenji Konno, Soh Ozawa. 2003.
81. Patent application #2004/32 570 (USA). Mark David Peterson, Jeffrey Alan Gohman. 2004.
82. Patent application #2004/32 653 (USA). Projection display apparatus / Gohman Jeffrey Alan. 2004.
83. Pentico C., Gardner Eric. New high performance durable polarizers for projection displays // SID 01 Digest. Vol. 32. — P. 1287−1289.
84. Pem’n Jean-Claude. Methods for rapid evaluation of the stray light in optical systems // Optical Design and Engineering: Proceedings of SPIE. 2004. — Vol. 5249. — P. 392−399.
85. Petrozzo Ronald A., Singer Stuart W. Cinema Projection Distortion // The 141st SMPTE Technical Conference and Exhibition Displays for the Theater and Home Session. November 20,1999.
86. Reeb A., Bobek F. The application of additional mirrors for cinema projection with incandescent lamps reflectors // Licht und Lampe Rundschau. 1926.
87. Riser A. P., Cassarly W. J. Analysis of single lens arrays using convolution // Optical Engineering. 2001. — Vol. 40, No5. — P. 805−813.
88. Robinson M. G., Chen J. M., Sharp G. D. Wide field of view compensation scheme for cube polarizing beam splitters //SID 03 Digest. 2003. — Vol. 34. P. 1203−1206.
89. Robinson Michael G. Korah John. Sharp Gary, Birge Jonathan. High contrast color splitting architecture using color polarization filters // SID Digest. 2000. — Vol. 31. — P. 92−96.
90. Rosenbluth A.E., Singh R.N. Projection optics for reflective light valves II SPIE Projection Displays V. 1999. — Vol. 3634. — P. 87−103.
91. Rosenbluth Alan E. Contrast properties of reflective liquid crystal light valves in projection displays II IBM J. Develop. 1998. — Vol. 42. — P. 359−385.
92. Rosenbluth Alan E., Lu Minhua, Yang Kei H., Ho Kenneth. Correction of contrast in projection systems by means of phase-controlled prism coatings and band-shifted twist compensators // SPIE Proceedings. -2000. Vol. 3954. — P. 63−90.
93. Sagan Stephen F., Smith Ronald, Popovich Milan. DigiLens color sequential filtering for microdisplay-based projection applications // Proceedings of SPIE. 2000. -Vol. 4093. P. 281−287.
94. Schadt M" Helfrich W. Voltage-dependent optical activity of a twisted nematic liquid crystal //Applied Physics Letters. -1971. Vol. 18. — P. 127.
95. Sharp Gary D., Birge J. R. Retarder stack technology for color manipulation // SID Digest. 1999. — Vol. 30. — P. 1072−1075.
96. Sharp Gary D., Birge Jonathan R. High throughput color switch for sequential color projection // SID 00 Digest. 2000. — Vol. 31. — P. 92−95.
97. Shi W.,. Couture M. E. Thermal and ghost reflection modeling for a 180° field of view long wave infrared lens // Optomechanical Engineering: Proceeding of SPIE. -2001. Vol. 4198. — P. 96−107.
98. Shikama S. A polarization transforming optics for high luminance LCD projector // Proceedings of Eurodisplay IDRC. -1990. P. 64−67.
99. Shikama S., Kida H. A compact LCD rear projector using a new bent-lens optical system II SID Digest. -1993. Vol. 24. — P. 295−298.
100. Shikama Shinsuke. Optical system of ultra-thin rear projection equipped with refractive-reflective projection optics // SID 02 Digest. 2002. Vol. 33. — P. 12 501 253.
101. Shimizu J. Single panel reflective optics // Proceedings of IDW. 1999. — P. 989 992.
102. Shimizu Shigeo, Ochi Yutaka, Nakano Atsushi, Bone Matthew. Fully digital D-ILA device for consumer applications // SID 04 Digest. -2004. Vol. 35. — P. 72−75.
103. Smith W. Modem Optical Engineering (3rd ed.) New York: John Wiley & Sons, 2001. -432 pages.
104. Stevenson M. A., Cote M. Computer simulation of asymmetric arc lamp volume emitters // SPIE Proceedings. -1999. Vol. 3634, — P. 63−72.
105. Stupp Edward H., Brennesholtz Matthew S. Projection Displays. New York: John Wiley & Sons, 1999, — P.418.
106. Ultrex Image Kernel The core of an LCoS Engine, Application notes, 2004, www.ocli.com.
107. Wang Yu. Polarization recycling for lighting LCDs more efficiently // NASA’s Jet Propulsion Laboratory, www.nasatech.com/briefs/june01/npo20824.html.
108. Weigel Т., Moll В., Beers B. J. Ghost image debugging on a 240 degree fisheye lens // Proceedings of SPIE. -1998. Vol. 2774, — P. 598−609.
109. Winzker M., Rebeler U. Electronic? mage correction for projection displays // SID 02 Digest. 2002. — Vol. 33. — P. 272−275.
110. Wyszecki and Stiles. Color science, concepts, methods, quantitative data and formulas (2nd Edition). New York: John Wiley and Sons. -1982.
111. Вычислительная техника: Справочник / Под ред. М. М. Русинова. -М.: Машиностроение, 1984, -423 с.
112. Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем. Москва: Машиностроение, 1992. — 448 стр.
113. Обзор фирмы Display Search (США), ноябрь, 2000 г.
114. Смирнов А., Пархомчук А. и др. Микродисплеи: современное состояние и перспективы развития // Электронные компоненты. 2001, № 2. — С. 6−14.
115. Смирнов А., Пархомчук А. и др. Микродисплеи: современное состояние и перспективы развития // Электронные компоненты. -2001, № 3. С. 5−9.