1 福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州 350108
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建 福州 350108
随着微米级像素尺寸的微型自发光二极管（Micro-LED，μLED）的出现和发展，采用μLED作为光源和像源的超微型投影光学引擎成为了可能，其极大简化了传统投影显示光学引擎的结构。本文提出了一种基于μLED的超微型投影光学引擎，基于现有3.302 mm（0.13 in）的μLED显示芯片设计了高像质的微型投影镜头。针对μLED的光分布特性，优化μLED发散角度与微投影镜头的光瞳匹配，有效提升了μLED微投影光学系统的光能利用率。结果表明，所设计的μLED微投影显示光学引擎体积仅有18.35 mm3，投影镜头中心视场的MTF值在截止频率处超过0.57。该μLED微投影显示光学引擎较好地实现了系统体积与成像像质的均衡，未来在AR/VR等近眼显示设备上具有广泛的应用前景。
Micro-LED 近眼显示 微投影显示 光学设计 系统效率 Micro-LED near-eye display pico-projection display optical design system efficiency
1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学光电技术研究院特种显示国家工程实验室，安徽 合肥 230009
基于波前调控的全息视网膜投影显示（RPD）能够在无透镜条件下对图像光束进行会聚且可以实现图像景深、视点位置、数量、间距等参数的自由调控。目前，无透镜波前调控全息RPD多数选用振幅型全息图进行研究，存在衍射效率低、共轭像串扰等问题。基于此，提出了一种无透镜全息RPD的纯相位全息图计算方法，通过两步计算即可得到所需全息图。首先，将目标图像乘以均匀相位后作为输入，在输入面和全息面之间进行基于角谱衍射的Gerchberg-Saxton迭代后在全息面获得相位分布。然后，在迭代后的相位分布上乘以会聚球面波相位并对其编码得到最终全息图。在实验中，通过时分复用技术实现了彩色RPD并利用多球面波相位实现出瞳拓展，验证了该方法的有效性。
成像系统 无透镜全息视网膜投影显示 波前调控 相位型全息图 Gerchberg-Saxton迭代 激光与光电子学进展
2022, 59(20): 2011009
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 上海理工大学 光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093
3 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
光源是投影显示系统的核心组成部件。激光投影光源具有亮度高、寿命长和色域广等特点，但存在成本较高和散斑现象的问题。将激光结合激发荧光作为投影机光源，可以有效降低成本并解决散斑问题。通过将钇铝石榴石(YAG)荧光粉和激光单元结合制成混合光源，研究了不同荧光粉质量分数及工作温度对混合光源发光特性的影响。实验结果表明，光源的亮度和色度坐标值均随着荧光粉质量分数的增大而提高，而荧光粉的转化效率随着工作温度的升高而降低。研究结果验证了激光–荧光混合作为投影机用光源的可行性，不仅降低了整机的制造成本，解决了激光光源存在的散斑问题，而且降低了对光源光学元件加工的精度要求，提升了量产的制成能力。
投影显示 激光光源 荧光 发光特性 projection display laser light source fluorescence luminous characteristics
1 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 浙江大学光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
纯激光光源的投影产品是显示技术发展的未来趋势之一。为了使用多个激光二极管作为光源实现大功率的均匀照明,设计了一种激光照明系统,在基于自由曲面阵列的匀光系统前增加两个透镜和圆形光棒以进一步提高目标面均匀度。激光阵列经准直后会聚到圆棒中传输,再经过透镜准直出射,通过自由曲面阵列后经场镜会聚到目标面上,形成均匀的照明区域。借助软件仿真模拟后发现:引入圆棒混光后,目标面均匀度从77.59%提高到90.99%。此外,还对自由曲面阵列单元的形状进行了研究,结果表明,相比于正方形的结构单元,选取与目标面长宽比一致的自由曲面单元可以得到更好的均匀度。
光学设计 激光投影显示 自由曲面 激光照明
1 南靖万利达科技有限公司, 福建 漳州 363600
2 福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室, 福州 350116
基于典型的折反式超短投射比DLP投影光学系统, 提出并搭建了一种通过调整RGB-LED轮转占空比实现白平衡同步实时反馈的DLP投影仪全性能快速测试平台, 设计了投影系统的整机层叠式机构和散热布局, 并在测试平台下通过光学、散热、功耗、噪声和温升等实验对投影整机的光电性能进行了验证。实验结果具有一定的应用价值和可行性,能够为相关研究和产业化生产提供基本的参考依据。
超短投射比 投影显示 数字微镜 投影设计 光电测试 ultrashort throw ratio projection display digital micromirror device projection design photoelectric test
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心, 北京 100081
视网膜投影显示(RPD)是头戴显示器(HMD)领域的一个研究热点,能够克服传统HMD辐辏聚焦矛盾(VAC)。为了使RPD小型便携化,以微机电系统(MEMS)扫描镜作为空间光调制器(SLM)设计制造了折反式激光RPD系统。首先,介绍了辐辏聚焦矛盾,分析了RPD的基本原理。通过传统的RPD光路结构,实验验证了以MEMS激光扫描投影作为图像源的麦克斯韦观察法原理的可行性,分析并解决了黑斑问题。接着,完成了RPD系统的光学设计,分析评价了系统的性能。最后,制造出小型便携式的原型机,原型机瞳距可调,视场角为30°(H)×22°(V),无畸变,并通过实验对其显示效果进行了验证。
光学设计 头戴显示器 视网膜投影显示 辐辏聚焦矛盾 折反式光学系统 光学学报
2017, 37(12): 1222001
1 安徽师范大学光电技术研究中心, 安徽 芜湖 241000
2 安徽省光电材料科学与技术重点实验室, 安徽 芜湖 241000
为了提高投影仪的成像品质,提出了一种以激光作为照明光源,对激光扩束、准直,并使用位相片调制相位,以X棱镜实现RGB光源的合束。为了解决激光散斑问题,提出了一种利用压电陶瓷结合位相片,将时间上连续的激光分成多束独立的激光脉冲,产生N个独立的散斑图像,对N个独立的激光散斑图案进行叠加,从而实现了对激光散斑的抑制,理论上实现了叠加后的散斑对比度可以降为原对比度的1/N。在20 ms内,位相片实现了30幅独立的散斑图案的叠加,通过对散斑图案的采集和分析,单幅散斑图案的对比度为0.993,叠加后散斑对比度降至0.191;结果表明散斑图案的叠加使散斑对比度得到了抑制。为后续的激光投影光路设计提供了一个参考。
光学设计 激光散斑 压电陶瓷 位相片 散斑抑制 激光投影显示 optical design laser speckle piezoelectric ceramics phase plate speckle suppression laser projection display
Beijing Engineering Research Center of Mixed Reality and Advanced Display, School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
Retinal projection displays (RPDs) are an important development direction for head-mounted displays (HMDs). This paper reviews the literature on optical engineering aspects based on the data on advanced technology in RPD design and development. The review includes the principles and applications of four theories, e. g., the Maxwellian view and its modified modality and the monocular and binocular depth cues of stereoscopic objects in the physiology of the human visual system. To support the Maxwellian view and achieve retinal projection systems with depth cues, results of previous design works were summarized using different methods and their advantages and disadvantages are analyzed. With an extremely long focal depth, a prototype of a full-color stereoscopic see-through RPD system was discussed. Finally, a brief outlook of the future development trends and applications of the RPDs was presented.
retinal projection display (RPD) retinal projection display (RPD) Maxwellian view Maxwellian view depth cues depth cues stereoscopic see-through stereoscopic see-through Frontiers of Optoelectronics
2017, 10(1): 1
