博碩士論文 106226059 詳細資訊




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姓名 黃宥叡(You-Ruei Huang)  查詢紙本館藏   畢業系所 光電科學與工程學系
論文名稱 非軸對稱式光學系統應用於投影機設計
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摘要(中) 本文投影機系統分為照明系統以及成像系統,照明系統採用非軸對稱式聚光鏡包含三顆RGB LED光源、兩片色彩分光鏡、透鏡陣列、中繼透鏡、TIR稜鏡系統與DMD系統。而成像系統包含103萬畫素DMD系統、TIR稜鏡與投影鏡頭,投影螢幕尺寸為60吋、投影距離為2.1米、F/#為2.4與鏡頭有效焦距為16.02 mm。而投影機系統尺寸為130.7 mm×93.2 mm×33.0 mm。
聚光鏡系統主要功能為將LED光源投射至透鏡陣列入光面位置上,如果聚光鏡採用軸對稱光學系統,則光源成像在透鏡陣列入光面上其像方數值孔徑在水平與垂直方向相同,但透鏡陣列設計其水平與垂直方向數值孔徑是不相同的,因此會因兩者數值孔徑之差異造成能量的損失。如使用非軸對稱式聚光鏡系統,其水平方向與垂直方向的焦距不同,造成水平方向與垂直方向的放大率不同,使非軸對稱式聚光鏡像方之數值孔徑在水平方向與垂直方向不同,如果非軸對稱聚光鏡系統其像方數值孔徑仍匹配透鏡陣列入光面之數值孔徑,就不會有數值孔徑不匹配之現象也能提高其光效率。
如果本投影機系統以光展量計算,可得光展量總效率為48.68%。本投影機使用三顆RGB LED置於不同位置,分別經過不同光路,最後光源於透鏡陣列結合在一起,在各光學元件表面設定穿透率100%的條件下,模擬光線數為2000萬且網格數為48×30,在螢幕上之效率分析,紅光總效率為47.36%、綠光總效率為41.66%、藍光總效率為45.03%以及白光總效率為43.50%,與光展量效率48.68%比較,其能量的損失是由兩片色彩分光鏡所造成。且螢幕上白光均勻度ANSI(+%)為2.71%,ANSI(-%)為-3.13%,JBMA(%)為97.80%,平均差為6.79%。最後本系統經過計算具有134.46%的sRGB色域。
摘要(英) The projection system in this study is divided into illumination system and imaging system. The illumination system adopts non-axisymmetic condenser including three RGB LED light sources, two dichroic mirrors, a lens array, a relay lens, a total internal reflection prism and digital mirror device system. The imaging system consists of an 1.03 million pixel DMD system, a TIR prism and a projection lens. The projection screen size is 60 inches, the projection distance is 2.1 meters, the F/# is 16.02 mm. The effective focal length of projection lens is 16.02 millimeter. The size of the projection system is 130.7 mm × 93.2 mm × 33 mm.
The function of condenser is to project the LED light source to the entrance surface of the lens array. If the condenser adopts the axisymmetric optical system, the light source is imaged on the entrance surface of the lens array, and the numerical aperture of the image is the same in the horizontal and vertical directions, but the lens array design has different numerical apertures in the horizontal and vertical directions, so it causes energy loss and reduces efficiency. If a non-axisymmetric condenser is used, its effective focal lengths in the horizontal and vertical directions are different, and the magnifications of the horizontal and vertical directions are different, so that the numerical aperture in horizontal and vertical directions of the non-axisymmetric condenser are different. If the numerical aperture of the non-axisymmetric condenser system also matches the numerical aperture of the entrance surface of the lens array, so that light efficiency can be improved.
If the projection system is calculated by etendue, the etendue efficiency is 48.68%. The projection system in this study uses three RGB LEDs in different position, respectively, through different optical paths, and finally the light source is combined in the lens array. Under the condition that the transmittance of each optical component is 100%, the number of simulated light is 20 million. The mesh is 48×30, and the efficiency analysis on the screen, the efficiency of red light is 47.36%, the efficiency of green light is 41.66%, the efficiency of blue light is 45.03%, the efficiency of white light is 43.50%. The result is compared with the etendue efficiency of 49.58%, the energy loss is caused by two dichroic mirrors. The uniformity of white light on the screen is ANSI(+%) of 2.71%, ANSI(-%) is -3.13%, JBMA(%) is 97.80%, and the average deviation is 6.79%. Finally, the projection system has 134.46% of sRGB color gamut.
關鍵字(中) ★ 光展量
★ 照明系統
★ 成像系統
★ 投影機設計
關鍵字(英)
論文目次 中文摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 投影機之發展歷史 1
1-3 文獻回顧 2
1-4 研究動機 7
1-5 論文架構 7
第二章 基礎理論介紹 8
2-1 光度學基本原理 8
2-1-1 光通量(Luminous Flux)定義 8
2-1-2 照度(Illuminance)定義 9
2-2 光展量(Étendue)定義 9
2-3 立體角與光展量(Étendue)的關係 11
2-3-1 圓立體角之光展量(Étendue)計算 12
2-3-2 橢圓立體角之光展量(Étendue)計算 13
2-3-3 矩形立體角之光展量(Étendue)計算 13
2-4 色彩學基本原理 14
2-4-1 RGB色度系統 14
2-4-2 XYZ色度系統 15
2-4-3 色度座標 15
2-4-4 色溫與相關色溫(Correlated Color Temperature) 16
2-4-5 色域 17
2-5 均勻度規範 18
2-5-1 ANSI(+/- %)均勻度規範 18
2-5-2 JBMA均勻度規範 19
2-5-3 平均差規範 19
第三章 非軸對稱式聚光鏡投影機光學系統設計 20
3-1 系統架構簡介 20
3-2 光源系統 20
3-2-1 LED規格 21
3-3 色彩系統 24
3-3-1 色彩分光鏡對光源之影響 24
3-3-2 近軸主光線入射在色彩分光鏡位置之位移 25
3-4 DMD系統 27
3-4-1 DMD規格 28
3-5 透鏡陣列 30
3-5-1 單格透鏡陣列規格 30
3-5-2 單格透鏡陣列入光面初階計算 31
3-5-3 單格透鏡陣列出光面初階計算 32
3-5-4 單格透鏡陣列有效焦距計算 33
3-5-5 單格透鏡陣列數值孔徑NA計算 33
3-5-6 透鏡陣列照明區域與尺寸計算 34
3-5-7 透鏡陣列入射角度與出射角度計算 35
3-6 中繼透鏡 36
3-6-1 中繼透鏡有效焦距計算 36
3-6-2 中繼透鏡數值孔徑計算 36
3-6-3 中繼透鏡出射角計算 37
3-7 非軸對稱式聚光鏡規格 38
3-7-1 非軸對稱式聚光鏡水平方向初階計算 38
3-7-2 非軸對稱式聚光鏡垂直方向初階計算 40
3-7-3 非軸對稱式聚光鏡設計結果 42
3-8 TIR稜鏡 49
3-8-1 TIR稜鏡規格 50
3-8-2 TIR稜鏡θin計算 51
3-9 投影系統 53
3-9-1 投影鏡頭規格 54
3-9-2 投影鏡頭之設計過程 55
3-9-3 投影鏡頭之定心係數 60
3-9-4 最終投影鏡頭設計 61
3-9-5 投影鏡頭設計之成像品質結果 68
第四章 光展量計算與分析 83
4-1 光展量種類 83
4-2 LED光展量計算 83
4-3 非軸對稱式聚光鏡物方光展量計算 83
4-4 非軸對稱式聚光鏡像方光展量計算 83
4-5 透鏡陣列物方光展量計算 84
4-6 透鏡陣列像方光展量計算 84
4-7 DMD照明區域光展量計算 85
4-8 DMD有效區域光展量計算 85
4-9 投影鏡組光展量計算 85
第五章 模擬結果 87
5-1 投影機整體架構 87
5-2 平均誤差與Mesh數 88
5-3 投影機系統模擬效率 89
5-4 色彩分析 90
5-4-1 投影機系統之色域表現 90
5-4-2 工作週期(Duty Cycle)計算 91
5-4-3 合光結果 93
5-5 投影面均勻度結果 95
5-6 設計結果整理 98
第六章 結論與未來展望 99
6-1 結論 99
6-2 未來展望 100
參考資料 101
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指導教授 孫文信 審核日期 2019-8-1
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