学位论文-—用于lcos显示系统的偏振分光器件仿真设计.doc

清华大学2012届毕业设计说明书目 录1.绪论11.1课题研究背景11.2 LCOS激光显示现状与发展11.3本设计的主要内容22 投影显示系统的分类和工作原理32.1投影显示系统的分类32.2投影显示的实现方式32.2.1 CRT投影技术32.2.2 LCD投影技术42.2.3 DLP数字投影技术43 LCOS投影显示技术63.1 LCOS投影显示技术的发展历史73.2 LCOS投影显示技术的成像原理83.3 LCOS投影技术的优势93.4 LCOS面临的问题94偏振转换系统114.1光的偏振特性114.2偏振分光器114.3 PBS的加工要求124.4 PBS应用134.5偏振光转换器145软件仿真165.1 ZEMAX软件165.2 系统设计175.3 仿真结果分析236 总结266.1系统的不足266.2对未来的展望26参考文献27致 谢28第28页 共28页1.绪论1.1课题研究背景同液晶、等离子等新型显示技术相比，LCOS(硅基液晶显示)技术有其自身的突出优势，也早已被业界普遍认为是最适合我国发展的新型大屏幕数字显示技术。近10年来，从LCOS技术在中国的萌芽，到中国电子视像行业协会大屏幕投影显示设备分会牵头组建我国第一条产业联盟，直至今天国内LCOS产业链的初步形成，LCOS在我国的发展经历了一个艰难的历程。目前，LCOS技术(包括DLP、LCD技术在内)的照明系统普遍采用UHP灯源(超高压汞灯)，由于其固有的结构和物理特性，使得 LCOS背投电视存在光源寿命不足的问题，也无法与液晶、等离子技术的轻、薄优势相抗衡，这与国内外家用电视市场普遍认可的消费特点和趋势产生难以化解的矛盾，生存环境不容乐观。近年来，以激光作为光源的新型显示技术崭露头角，被业界称为第四代显示技术。在国家863计划、中科院知识创新工程等的大力支持下，我国在激光显示核心技术上正稳步走向成熟，整体处于世界先进水平。2008年，作为我国最重要的激光显示技术研究和产业化单位，北京中视中科光电技术有限公司首次在国内推出拥有我国自有知识产权的激光光源数字电影设备，标志着激光显示技术的应用在我国取得重大突破，激光光源应用于LCOS技术的梦想也不再遥远。此举可有力地改变LCOS技术产品光源寿命短、光学引擎照明系统体积偏大的缺陷，有效提升LCOS技术的竞争力。1.2 LCOS激光显示现状与发展（1）从事研发与生产LCOS投影显示设备与配套件的地区与企业逐渐增多。（2）研发与生产LCOS成像器件的生产线已经建立起来或正在建设，有的企业已经过国家发改委项目验收。（3）LCOS投影设备气体光源超高压汞灯自主研发成功，并投入生产，已有一定数量合格，产品供应整机企业与维修单位。（4）LED光源正越来越多的用于MD投影机、背投影机、微型投影机、大屏幕拼接显示屏。特别是大家对提高LED光源发光效率采取很多创新措施1，有的还采取LED与激光器件组成混合光源，既发挥各自优势，如色彩、寿命同时又降低成本。（5）LCOS投影式激光显示设备的主要部件光学引擎已有数家企业生产出合格产品，并组装成整机供应市场。（6）一些光学器件企业都能生产出合格产品，供应光学引擎企业与整机企业生产光学引擎和整机。（7）几家背投屏幕企业已经建立起来，现在正在改进产品质量，努力满足整机企业需求。（8）整机企业研发与生产出多种型号整机供应市场，并在开辟市场工作中取得了一些经验。（9）一支产学研相结合的科研、生产的工程技术人才队伍已经形成。MD投影式激光显示产业从发展前景来看前途是光明的2。随着激光光源技术发展，MD投影产业将发生巨大变化，甚至是革命性的。由于投影式激光显示可以覆盖90%的色域空间，它“将视频显示的高保真推向最高阶段，是二维显示的完善终结技术”，“是一场视觉革命”。特别是“天作之合”的激光光源与LCOS投影相结合的LCOS投影激光显示产业既符合循环经济原则，又是“加快培育和发展战略性新兴产业”，为我国显示产业实现跨越式发展的带来机遇，是我国显示产业发展的方向。1.3本设计的主要内容激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎和屏幕三部分组成。光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成，光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。LCOS投影机图像调制原理是以光调制来控制投影显示图像。入射光线在分光后，经过入射偏光板(PBS)，将入射光变成S偏光，经LCOS板反射调制。如果液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，S光会变成P光，经棱镜透射后，有最多的光投射到会聚透镜会聚成像。处于显示暗电平时，S光经调制，依然还是S光输出，经棱镜没有光透射到会聚透镜，图像显示为暗电平。2 投影显示系统的分类和工作原理投影显示的特点：投影显示图像呈现在显示器件上后又被光学系统放大，最终在投影屏幕上显示出被放大了的图像，因此，投影器件本身的尺寸大小与所能显示的图像尺寸大小是不一致的。相比之下，信息显示技术发展另一大分支直视型显示器件所显示的图像时呈现在显示器件上，人们是直接在显示器件上来观看图像，显示器件的几何尺寸与所显示的图像的尺寸大小基本一致。2.1投影显示系统的分类前投：投影设备与观看的人处于屏幕的同一侧，人眼在屏幕上看到的事反射光线产生的图像。由于反射光线是在空中传输的。因此，图像质量受环境影响较大，仅在观看环境为黑暗（比如电影院这样的场所）时，图像质量才较好。 背投：投影设备与观看的人处于屏幕的两侧，人眼看到的是透射光线。由于投影光线在一个封闭的暗室内传输，不受环境光影响，因此即使在明亮的灯光下，背投的图像质量依然较好，但它的缺点是需要占用一定的空间。2.2投影显示的实现方式2.2.1 CRT投影技术CRT（Cathode Ray Tube）是阴极射线管。是应用较为广泛的一种显示技术。CRT投影机把输入的信号源分解到R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，在高压作用下发光信号放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。 光学系统与CRT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机。CRT投影机可以说是投影机的鼻祖。CRT投影机也叫三枪投影机，其工作原理与CRT显示器没有什么不同，其发光源和成像均为CRT。虽然CRT投影机的工作特征与LCD、DLP等投影机有本质区别，且CRT投影机与LCD投影机同属传输型投影机，但CRT投影机是本身发光，是由阴极射线电子束扫描击射在成像面上，使成像面上的荧光粉发光形成图像后，再传输到投影面上。因此，CRT投影机具有CRT技术中成像的所有优点和缺点。即CRT投影机分辨率高、对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强，且技术十分成熟。特别是CRT投影机在采用当前技术先进的CRT新型荫罩后，亮度也有了较大提高。但CRT投影机毕竟是由成像面上荧光粉发光后再投影到屏幕上的，当有效扫描电子数增加到饱和状态时，再增加有效电子数，荧光粉发光量也增不了多少。因此，与其它类型的投影机相比，在亮度方面，CRT投影机要低得多，这一直是困绕CRT投影机的主要因素。不过，CRT投影机分辨率高,对比度好,色彩饱和度佳,信号的兼容较强，技术十分成熟，加上CRT投影机扫描式的成像特点和在分辨率、亮度、对比度、饱和度、线性、枕形、梯形等方面具有调节功能，CRT投影机在航空航天、遥控监控行业中起到其它投影机无法替代的作用，所以应用于相对高端的专业领域。2.2.2 LCD投影技术LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达1670百万种色彩的靓丽图像。LCD投影机的主要成像器件是液晶板。LCD投影机的体积取决于液晶板的大小，液晶板越小，投影机的体积也就越小。 根据电光效应，液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类，其中活性液晶具有较高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人们可通过相关控制系统来控制液晶板的亮度和颜色。与液晶显示器相同，LCD投影机采用的是扭曲向列型液晶。LCD投影机的光源是专用大功率灯泡，发光能量远远高于利用荧光发光的CRT投影机，所以LCD投影机的亮度和色彩饱和度都高于CRT投影机。LCD投影机的像元是液晶板上的液晶单元，液晶板一旦选定，分辨率就基本确定了，所以LCD投影机调节分辨率的功能要比CRT投影机差。 LCD投影机按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种，现代液晶投影机大都采用3片式LCD板(图1)。三片式LCD投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板“记录”下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红色光信息。绿色光被投射到绿色液晶板上，形成图像中的绿色光信息，同样蓝色光经蓝色液晶板后生成图像中的蓝色光信息，三种颜色的光在棱镜中会聚，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅全彩色图像。三片式LCD投影机比单片式LCD投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。LCD投影机体积较小、重量较轻，制造工艺较简单，亮度和对比度较高，分辨率适中，现在LCD投影机占有的市场份额约占总体市场份额的70%以上，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。2.2.3 DLP数字投影技术DLP投影机是一种光学数字化反射式投射设备。DLP投影机的关键成像器件DMD（Digital Micromirror Device：数字微透镜装置）是一种由德州仪器公司自行研制开发的、可通过二位元脉冲控制的半导体元件。该元件具有快速反射式数字开关性能，能够准确控制光源。其基本原理是，光束通过一高速旋转的三色透镜后，再投射在DMD部件上，然后通过光学透镜投射在大屏幕上完成图像投影。DLP投影机实际上是一种基于DMD技术的全数字反射式投影设备。一片DMD是由许多个微小的正方形反射镜片（简称微镜）3按行列紧密排列在一起贴在一块硅晶片的电子节点上形成的，每一个微镜都对应着生成图像的一个像素。因此，DMD装置的微镜数目决定了一台DLP投影机的物理分辨率，平常我们说投影机的分辨率为600800的SVGA模式，所指的就是DMD装置上的微镜数目就有600800=480000个，是相当复杂和精密的。在DMD装置中每个微镜，都对应着一个存储器，该存储器可以控制微镜在10度角两个位置上切换转动。目前，DLP投影机按其中的DMD装置的数目分为一片DLP投影系统，两片DLP投影系统和三片DLP投影系统。 DLP投影机采用微镜滤光技术，使用表面由成千上万个微透镜组成的芯片高速切换光像素来产生投影图像。形成DLP图像的光束没有经过过滤，能量没有减少，投影图像信息没有损失，加上DMD部件具有反射性和密合性的优点，光能的利用率远远高于传统的光学系统。配合先进的光学架构与高品质的光学镜头设计，DLP投影机可以产生清晰度高、画面均匀、色彩还原性好的图像，亮度比LCD图像高4，出现条纹和重影的情况也比LCD投影机少。DLP投影技术抛弃了传统意义上的会聚，可以随意变焦，调整十分方便，而且其光学路径相当简单，体积更小，所以该技术主要应用在超便携式系统中，现代最轻的DLP超便携投影机的重量可以小于1.5公斤。当然，缩小体积也带来了视频显示方面的缺陷，使DLP投影机的视频显示效果有些失真。DLP投影机的光学机械特性，也决定了它的移动防振性能要比LCD投影机差一些。与LCD投影机一样，DLP的像元也是固化的，所以它的分辨率调整功能较差。 虽然DLP投影机所占的市场分额远远低于LCD投影机，但作为新型产品，DLP投影机在体积、重量和亮度等方面具有先天优势，更适合现代电子商务与家庭影院的需要，尤其是其超便携性能完全超过了LCD投影机，DLP投影机已成为继CRT投影机和LCD投影机之后的第三类产品，应用领域与市场前景不可估量。3 LCOS投影显示技术LCOS（Liquid Crystal on Silicon），即硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。像素的尺寸大小从7微米到20微米，对于百万像素的分辨率，这个装置通常小于1英寸。有效矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。像素的电极也是一个反射镜。通过透明电极的入射光被液晶调制光电响应电压将被应用于每个像素电极。反射的像被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大成像到大屏幕上。采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式来形成图像，光利用效率可达40%。与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也将有一定优势5。 LCOS是一种新型的反射式microLCD投影技术。与穿透式LCD和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高、制造技术较成熟等特点，它可以很容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。由于LCOS尺寸一般为0.7英寸，所以相关的光学仪器尺寸也大大缩小，使LCOS-PTV的总成本大幅下降。HTPS-LCD目前仅有索尼（SONY）及爱普生（EPSON）拥有专利权，而DLP则是德州仪器的独家专利，LCOS则无专利权的问题。 虽然LCOS看起来简单，但要产品化还要有一个过程，并不是像想象的那样容易形成一个产业。LCOS技术一经推出便在全世界范围内造成极大影响，但由于制造工艺等方面原因，目前基于LCOS技术的产品还没有形成大规模量产，只有少数厂家开发出了应用于投影机的LCOS芯片和应用LCOS技术的投影机及背投电视机。LCOS技术在以后大屏幕显示应用领域具有很大优势，它没有晶元模式，且具有开放的架构和低成本的潜力。 近几年来，在LCD业界出现了许多新技术，其中较热门的技术是LCOS。LCOS最大的优点是解析度可以很高，在携带型资讯设备6的应用上，此优点是其他技术无法与之看齐的。缺点是模组的制程较为繁琐，各生产阶段良率控制不易，成本难以有竞争力。目前只能停留在需要高解析度的特定用途中，如液晶投影器。但自今年3月后，业者中开始将其应用到手机产品中，而且将在第4季起正式供货。若果真如此，将是LCOS的最重要里程碑。 什么是LCOS？ LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式micro LCD投影技术，其结构是在矽晶圆上长电晶体，利用半导体制程制作驱动面板(又称为CMOS -LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装测试。 简单来说，LCOS是直接与映像管(CRT)投影技术、高温多晶矽液晶(Ploy-Si LCD)穿透式投影技术、DMD(Digital Micromirror Device)数位光学处理(DLP; Digital Light Projector)反射式技术相关。这三项技术已发展成熟，但LCOS则成为投影显示技术的新主流。 LCOS市场定位在大尺寸显示器产品及HMD(Head Mount Device)。目前业界普遍认可：在显示器市场20以下以LCD为主流，PDP可应用于30- 60产品，但价格昂贵，投影显示器适用于30- 60以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。LCOS投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在HMD中。 省电、便宜与高解析度为LCOS最大优点。LCOS可视为LCD的一种，但传统的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS则是长在矽晶圆上。和LCOS的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶矽LCD为代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3%左右，解析度不易提高；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达40%以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，易于提高解析度。反观高温多晶矽LCD则需另投资设备，且属于特殊制程，成本不易降低。各种技术应用比较。3.1 LCOS投影显示技术的发展历史LCOS投影技术又称硅基液晶、硅晶光技术7（Liquid Crystal on Silicon，LCOS），是一种结合半导体工艺和液晶显示器（LCD）的新兴技术。该技术最早出现在上世纪九十年代末期。其首批成型产品是由Aurora Systems公司于2000年开发出的。该产品具有高分辨率、低价格、反射式成像的特点。 在此之后无数家企业蜂拥而至。其中不乏今天依然活跃在LCOS舞台上的索尼、JVC、视创科技、中芯国际、台联电、江西鸿源数显科技、河南辉煌等企业。但是，在早期被认为是LCOS技术最有力的支持者的英特尔和飞利浦两位“巨人”却未能坚持到最后。 04年飞利浦宣布退出LCOS产品的开发计划。飞利浦在LCOS产品上主要技术方向是单片式时序成像背投电视机产品。04年以来液晶和等离子平板电视产品的高速增长被认为是飞利浦放弃LCOS背投电视机产品开发停顿的核心因素。此外，在这一年英特尔也宣布了停止百万像素级LCOS芯片的研发和供货计划。英特尔声称，未来主要经历将放在开发两百万像素全高清级LCOS产品上。英特尔这样的表态被认为是希望以LCOS在像素密度上的优势和德州仪器TI的DLP投影技术抗争的策略。然而，05年之后英特尔的LCOS计划“无疾而终”。 失去两位巨头的LCOS正营在04、05年陷入低谷时期。这一阶段先后有多家企业推出了LCOS产品的开发和生产。令LCOS阵营似乎一时间面临崩溃的危险。但是，出于对已有技术的不满和对未来产业趋势的预期，索尼、JVC和台湾的视窗科技却依然坚持了下来。目前，LCOS投影机已经成为影院投影机高端产品采用的主要技术。得到了数家企业，例如索尼、JVC、视创、佳能、先锋、LG等的支持。 目前，LCOS技术产品呈现出良好的市场增长态势。在投影显示技术上，DLP技术追赶LCD技术用了十年的时间。而目前LCOS技术也已经经过了八九年的发展期。业内分析预计，随着LCOS技术的进一步成熟和产业链条的扩大，LCOS投影显示技术正在迎来发展的春天。 3.2 LCOS投影显示技术的成像原理LCOS投影技术的成像采用反射式光路8。在早期的产品中采用过和单片式DLP类似的时序成像方式。不过目前的主流产品普遍采用成像水平更高的三片式红绿蓝三元素分离在组合的成像方式。其成像光路与高档的百万元级的3片式DLP数字电影放映机基本相同。 三片式的LCOS成像系统，首先将投影机灯泡发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上，系统通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱，最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线，经过投影机镜头照射到屏幕上，形成彩色的图像。 这种成像系统在光源光线参与成像的利用率上能够达到单片式成像系统的一倍左右。同时因此，同样的光源和电力消耗可以产生更加明亮的最终画面。同时，由于避免了单片式DLP时序成像的缺陷，三片式LCOS投影系统也能产生出更加饱和、丰满的色彩，并且不会出现困扰单片式DLP成像系统的彩虹画面问题。 三片式LCOS成像的投影机产品是目前最成熟的LCOS投影方式。推出这种产品的厂家众多，包括索尼、HVC、视创、佳能等著名公司均有优秀的产品。 而此前曾经被开发过的单片式LCOS系统已经逐渐退出投影机应用领域。因为在单片式的时序系统中，要求LCOS芯片具有比三片式更快的反应速度。二者恰恰是LCOS的主要竞争对手DLP产品的优势，同时也是LCOS的劣势。飞利浦早期的LCOS背投显示技术就是给予单片式LCOS时序显示的投影产品。该项目已经在04年夭折。3.3 LCOS投影技术的优势LCOS投影芯片除了上文体提及的拥有理论上最低的成本外还具有着其它的显著优点。和LCD比较，LCOS技术仅拥有一个光学面9，从而能够利用另一个平面配置驱动电路。进而达到驱动电路和芯片一体化的产品结构。普通的LCD有大量密集的外部引线，如一个1024768像素点阵的LCD便有2592条外部引线，给整机装配带来了诸多不便。LCOS由于是将LCD制于单晶硅片上，LCD的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与IC相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。 普通的LCD透光的光学结构决定了两个光学平面必须保持“干净”。这使得像素分子中间不仅要包含LCOS技术液晶层所需要的像素涂布的分割网格，同时还必须拥有芯片工作必须的“电线”等电子设备。这些设备占据了大量的芯片光学面积，使得芯片的开口率在早期很难突破40%。但是，采用单光学面工作的LCOS芯片则可以轻易形成超过90%的开口率。 此外，普通的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。通常将像素制至0.28mm已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件（这些因素也影响到产品的开口率）。但LCOS的像素是制在单晶硅片上，硅片采用LSIC的工艺进行加工。像素密度的增大必然带来芯片体积的减少，材料费及成本自然便会大幅度地降低。 和德州仪器的DLP投影技术的DMD芯片相比较，LCOS技术具有工艺简单的特点。而采用微电子机械学的DLP DMD芯片不仅仅使得各种工艺难度大幅增加，同时对成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面临着严峻的挑战。 3.4 LCOS面临的问题 LCOS应用在显示和投影系统中具有如上所述的很多优势，但是也存在这较难解决的问题。如LCOS用在投影显示系统中需要利用光的偏振特性，才能实现光的调制。对于LED光源，必须进行起偏处理，使得光能量有较大的损失；而对激光作为光源的显示系统，激光本身的偏振特性可以被LCOS利用，但又存在激光散斑的问题。但无论对于LED光源还是激光光源，LCOS空间调制器都需要解决偏振光的转换问题，因此设计合理的、光能利用率较高的偏振转换系统是系统显示成败的关键。4偏振转换系统4.1光的偏振特性光是一种电磁波，电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量，称作光矢量10。通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光，统称为偏振光。偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光11）、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向，但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；如果是圆则称为圆偏振光。将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。因为它们的工作原理是一样的，只允许一个方向的偏振光通过。4.2偏振分光器透射式LCD显示器件、反射式硅基LCOS显示器件都是在偏振光11下工作的。白光光源是非偏振的自然光，不能直接照明这两种微显示器件，必须把自然光转变成偏振光。获得偏振光的方法有很多，较好的方法是利用偏振光分光器，又称为PBS棱镜(polarization beamspliter)。 PBS棱镜是由两个直角棱镜胶合而成，成为一个立方体，并在胶合面处镀有偏振膜，它把自然光分解为P偏振光和S偏振光，如下图4.1所示。 图4.1 PBS棱镜自然光射入PBS棱镜，遇到偏振膜后一部分反射，另一部分透射12。根据物理光学原理，反射光和透射光均变为偏振光，反射光为S偏振光，透射光为P偏振光，且二者振动方向相互垂直，这就是偏振分光棱镜的工作原理。S偏光的反射率以Rs表示，P偏光的透射率以TP表示，由于透射光中仍有一些S偏光，故其透射率为Tso，透射光中的To/Ts称为消光比。偏振膜是多层膜，光线在每层界面处发生一次反射和透射，即进行一次偏振化，使P偏振光中的S偏振光成份逐渐减少，从而提高消光比。经过多层偏振膜偏振化以后，消光比可大于1，000：1 。偏振光分光棱镜的技术要求如表1所示。表4.1 偏振分光棱镜技术要求使用波长（nm）380-780偏振性能P光透过率Tp96%；S光反射率99%消光比Tp:Ts1,000:14.3 PBS的加工要求PBS器件是精密的光学器件，加工生产有一定难度，特别是大批量生产，要有成熟的工艺和设备才能保证质量13。各部位的质量要求有所不同，如图4所示。图4.2 PBS加工要求原材料：过去多选用K9光学玻璃，其折射率nd为141 63，由于折射率较低，现在改用高折射率光学玻璃，如ZFI，折射率nd为16457。偏振膜：在5处胶合面镀有多层偏振膜，波长400680nm，对应于R、G、B三基色光路，其截止波段有所不同。在所要求的波段内，透过率要求大致为：P偏振光的平均透过率TD。97，最低透过率Tpave95；S偏振光的平均透过率Tpabs0.3，最高透过率Ksabs1，000。光轴在膜面处入射角为45，光束会聚半角3.5。防反射膜：表面1、3、4镀防反射AR膜，R96，S光反射率R。99，其特性曲线如图4.3中的实线所示；当PBS用于会聚光路中，每条光线在入射面处的入射角度是不同的，入射角越大，偏振化的质量越差，如会聚角为5。时，其透过率和反射率曲线如图3中的点划线所示。从图3可以看出，在会聚光路中，S偏振光的质量要好于P偏振光，因P偏振光的质量波动较大。所以PBS应优先选用在平行光路中，或用于会聚角较小的会聚光路中，会聚角要小于3。图4.3 会聚光束中的偏振曲线在LCOS光学引擎中，每一个显示芯片前面配置一个PBS棱镜。当S光射入PBS棱镜后，反射到LCOS芯片，透过液晶层到达底面后反射回来，再次透过液晶层并转变为P光，并可直接通过PBS棱镜，进入后续投影光学系统，使在投影屏幕上的图像呈现亮态：若S光透过液晶层没有转变为P光，则S光由PBS棱镜再次反射，由原路返回，不能进入后续投影光学系统，那么投影屏幕上的图像则呈现暗态。这是PBS棱镜的应用实例，如下图所示。图4.4 PBS在LCOS光学引擎中的应用4.5偏振光转换器自然光经过PBS棱镜即得到S偏光和P偏光，但是光分两路15，不好利用。如果将P光转换成S光，并由同一方向射出，则可大大提高光的利用率，又简化了后续光学系统，从而设计了一个新的器件25，将多个PBS棱镜胶合在一起，并在P光路处加一个12波片，将P光转换成S光，这个器件称为偏振光转换器(polarization conversion system，PCS)，其结构如图7所示。图4.5 偏振光转换器在LCD、LCOS光学引擎中，均要应用PCS器件做成大面积的S偏光照明系统。此时若将PBS立方棱镜做成长条状，多个条状棱镜胶合在一起，胶合界面镀有偏振膜，则可透射P偏振光和反射S偏振光。在P偏振光出射面加一个 12波长片，可将P偏振光转变成S偏振光，于是这样就将自然光全部转变成单一S偏振光，并在同一方向射出，形成大面积的偏振光光源。另外还要指出，在入射面要加放遮光板，以保护S偏光不受干扰。而PCS的转换效率也高，效率可达8090。16PCS的实样如图4.6所示。图4.6 PCS实样5软件仿真5.1 ZEMAX软件随着电子技术特别是计算机及其软件技术的快速发展，光学设计的大量计算工作都可以通过计算机完成。现在已经有多家公司针对光学系统设计和分析开发了多种软件。譬如美国Focus Software Inc.公司开发的ZEMAX软件，美国Optical Research Associates公司开发的CODE V软件、OSLD(Optics Software for Layout and Optimization)软件等。接下来，将主要介绍ZEMAX软件。5.1.1 ZEMAX软件简介ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展的一套综合性的模拟、分析和辅助设计光学系统程序，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、衍射、散射等光学模型，不仅是一套辅助设计软件，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。目前有三种不同的版本：ZEMAX-SE(标准版本)、ZEMAX-XE(扩展版本)和ZEMAX-EE(工程版本)，其中ZEMAX-XE包含了ZEMAX-SE的所有功能，ZEMAX-EE包含了ZEMAX-XE的所有功能，所以ZEMAX-EE版本功能更强大。ZEMAX功能强大，采用了菜单式操作界面，容易操作，菜单条目较多。ZEMAX的使用手册对其操作和功能进行了详细的介绍，同时也有一些基本的实例。在ZEMAX使用手册中，主要对其各项功能的使用进行了详细的介绍，并未介绍基本的物理原理，所以要求使用者具备一定的光学理论和光学系统设计的基本知识。275.1.2 ZEMAX设计环境ZEMAX的开发环境有一些窗口构成，主要包括主窗口(Main Windows)、编辑窗口(Editor Windows)、图形窗口(Graphic Windows)、文本窗口(Text Windows)和对话框(Dialogs) 。主窗口是ZEMAX的重要开发环境，当ZEMAX程序运行后就进入该窗口。它主要由位于顶端的主菜单和工具栏以及下端的状态栏构成。菜单栏给出了ZEMAX各个功能的入口，也包括别的窗口的入口，主要有文件栏(File)、编辑栏(Editors)、系统栏(System)、分析栏(Analysis)、工具栏(Tools)、报表栏(Reports)、宏指令栏(Macro)、扩展命令栏(Extensions)、窗口栏(Window)和帮助栏(Help)29。5.1.3光学系统结构的设定ZEMAX并不是一个完全的光学系统的设计软件，也就是说，我们不可以输入对光学系统光学参数和性能的要求，就要求ZEMAX设计出满足要求的光学系统。在采用ZEMAX分析和辅助设计光学系统以前，我们应该选择并输入所要设计的光学系统基本结构模型。ZEMAX中有两种程序模式，即Sequential mode 和 Non-Sequential mode 。在Non-Sequential mode 中，光线的传播比较复杂，程序会根据光学元件的空间分布，追踪光线的传播，这时光线可能要多次经过一个光学元件，它一般用于光的散射等问题的分析，不用于成像光学系统。在Sequential mode 中，严格按照光线在实际传播过程中经过各个光学元件的顺序输入光学元件，主要用于光学成像系统的分析和辅助设计。5.1.4光学系统成像的分析ZEMAX对光学系统及其成像的特性提供了多种分析工具30，分析工具集中在系统菜单中Analysis下，分析结果以图形窗口或文本窗口显示出来，各个窗口上端有进行相关操作的菜单，可以进行显示内容的设置，打印和窗口操作等操作5.1.5 光学系统结构的优化当给出光学系统的结构后，可能给定的参数并不能够满足对光学系统成像性能参数的实际要求，ZEMAX允许对光学系统提出一定的要求，它会给出一个比较满足用户要求的光学系统。它通过一个主菜单下的Tools/Optimization命令完成。在进行系统优化时，包括以下几个基本步骤：(1) 选择优化时可以更改的参数，即优化变量。在各个界面参数中可以由用户定的参数都可以作为优化变量。(2) 设定优化的条件。单击主菜单/Editor/Merit function，会弹出一个编辑窗口，它的主体也是一个表格，用于进行优化条件参数的设置。(3) 优化。单击主菜单下Tools/Optimization，系统会按照一定的算法根据设置参数进行优化。5.2 系统设计 本次软件仿真是要对所设计的偏振转换系统进行仿真，根据之前的设计，得出本次仿真主要是对偏振转换部分进行仿真，即对PBS器件进行仿真。5.2.1 基本参数设置仿真程序模式选择：由于此系统不是单纯的成像系统，而是将不同偏振态的光分开，因此，我们应选择Non-sequential mode 模式，在此模式下进行对系统的仿真。所以，在主菜单环境下，点击File，在所出现的下拉菜单中点击Non-sequential mode，将整个环境变为非序列模式，如图5.1所示。图5.1 选用非序列元件选择和参数设置：在选择Non-sequential mode后，会弹出Non-sequential component editor，如图5.2所示。 图5.2 非序列模式接下来是参数的设置。偏振转换系统使用在LCOS投影显示系统中，这里研究的是激光作光源时的应用研究，所以这里的光源用高斯光源来仿真。光源参数设置为：Layout Rays 和Anslysis Rays 都为10000.功率为10.如图5.3所示。图5.3选用高斯光源因为光源有一定的发散角，所以在光源的后面设置一个透镜，这个透镜起到光线准直作用。透镜的参数设置为：半径为3mm，厚度为0.5mm。玻璃材料为BK7。然后是个会聚透镜，让光线射到PBS上时有一定的角度。会聚透镜的参数设置为：半径也为3mm，厚度为0.5mm,前面的曲率半径是0，后一个面的曲率半径为-50。玻璃材料也为BK7。然后就是PBS偏振分光镜了，按照第五章的设计，PBS分光镜用俩快三角形棱镜拼接而成，但是在ZEMAX软件里面没有这种透镜，所以这里用两块矩形透镜来模拟，把俩快矩形透镜放在一起，弟二块透镜的前面挨着前一块透镜的后面，在两块透镜中间添加薄膜（在下一节将）。并把