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 Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian Liaoning 116034, CHN
2 Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian Liaoning 116034, CHN；Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian Liaoning 116034, CHN
搭建了美术馆实验环境，被观赏画作表面的照度为200 lx，采用LED光源的色温为3 300 K。改变投影仪的亮度和对比度参数，设定三种常用投影显示模式（模式1?亮度24.7 cd/m2，对比度12∶1；模式2?亮度57.7 cd/m2，对比度20∶1；模式3?亮度78.9 cd/m2，对比度24∶1），分别对32名实验者在三种显示模式下进行视觉舒适度评价的心理物理学实验。结果表明：在美术馆照明环境一定的情况下，投影显示的亮度和对比度影响参观者的视觉舒适度。在设置投影模式1的条件下，参观者视觉舒适度最佳。研究结果对于美术馆展陈设计中投影显示技术的合理运用提供了参考。
投影显示 亮度 对比度 美术馆 视觉舒适度 projector display brightness contrast art gallery visual comfort
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为满足便携式投影仪的市场需求, 设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元, 利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构, 全视场角为80°, 焦距为8 mm, 属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处, 该物镜的调制传递函数大于085, 畸变小于2%, 符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小, 结构简单, 投影效果好, 易加工等诸多优势, 可为第三代投影技术的发展提供参考。
Micro-LED、微型投影、显示单元、成像系统、大视场 Micro-LED pico-projection display light imaging system wide field
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
