基于ZEMAX的LCOS微型投影镜头设计研究

复旦大学硕士学位论文LCOS微显示技术研究与设计姓名：秦亚杰申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：洪志良20040512－＿－＿＿———————‘一摘要作为目翁信息嚣示领域公认的最有前途的技术，ＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎ—————．—————————————————————！！！．—．。

—————．————————————————————．—————一ＳｉｌｉｃＯｎ硅上液晶显示）是ＣＭＯＳ半导体集成电路技术和液鼹显示技术相结台的产物，其有蕊密度、高分辨率、高开口率、离亮度、轻、薄、成本低等优点。

因此，撼于ＬＣＯＳ髌抉方案的ＨＤＴＶ和近眼显示系统具有庞大的市场潜力。

ＬＣＯＳ显示系统的核心部捧楚ＬＣＯＳ显示芯片。

论文敲设计“一个分辨萃为３２０ｘ２４０ＬＣＯＳ显示屏基板电路”入筝，对ＬＣＯＳ显示技术做了初步研究。

论文主溪设计了～令嗣予近限激示系统的ＱＶＧＡ分辨率的ＬＣＯＳ显示屏基板电路。

由于ＬＣＯＳ显示芯片结构特殊——硅片和液晶集成，论文首先研究了ＬＣＯＳ投影系统，然嚣分章厅了液晶错精魏选择及液晶工作模式豹设计，给遗了适合于场序制彩色化盥示芯片的快速ＴＮ液晶的物理特性及电光特性。

接着，论文着耄绉述了象素单元寇路静设计，译绪讨论了沟道魄麓注入效痤等对电路精魔的影响；建立了单元电路的图像闪烁模型，系统分析了图像闪烁的套耪辍理霜演豫阗烁豹方法。

然后，本论文详细介绍了基板电路的系统设计和电路模块设计，提出了～种８遴遴数据驱动、基于ＤＲＡＭ缝稳有溧跨翻的、ＬＣＯＳ基板邀路系统结掏，涎舄Ｏ．６ｕｒｎ、双层多晶硅、ＣＭＯＳ工艺完成了整个系统的设计与仿真。

该结构实现了渡鑫的｛氐压驱动。

程骞溪阵裂设计磷究中，分摄了各耱擎元存簇毫窖设嚣方法，用以减小单元电路面积：讨论了有源阵列的带宽与互连线寄生电容、寄生电阻的关系，绘出了一定熬伐｛皂方嶷；分摄了光瀵潺导致潺毫毫渡瓣税理，并提供了实现良好的光屏蔽的方案。

广角微型投影镜头设计作者：林正徐苗余华恩邵晓萍梁秀玲来源：《光学仪器》2017年第04期摘要：投影机更新速度快，高分辨率、轻便微小的投影机已是时代的需求。

通过分析微型投影成像系统的特点，根据几何光学理论，用Zemax软件设计了一款投影显示芯片为0.61 inch（1 inch=2.54 cm）、投射比为0.68∶1的微型投影镜头。

镜头由2片非球面透镜和6片常用玻璃材料透镜组成，结构简单，系统光学总长为60 mm，有效焦距为9.26 mm，后工作距离大于20 mm，最大口径小于23 mm，全视场（FOV）为80°，相对孔径为1∶2.2。

在71 lp/mm 特征频率处，全视场的调制传递函数均大于0.5，全视场相对畸变小于2.0%，镜头成像质量好。

对微型投影系统进行容差分析，得出一套较为宽松的公差，适合生产加工。

关键词：光学设计；广角镜头；非球面透镜；微型投影机中图分类号： TN 202文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.04.008Abstract：The projector technology develops quickly，and current projectors have high resolution and small volume.The light miniprojector is required.By analyzing the features of the miniprojector imaging system and according to the theory of geometrical optics，we design a miniprojector lens with Zemax.The projection display chip size is 0.61 inch（1 inch=2.54 cm） and the projection ratio is 0.68∶1.It is composed of 2 plastic aspheric lenses and 6 common glass lenses with simple structure.Its total length is 60 mm.The effect focal length is 9.26 mm and the back working distance is more than 20 mm.The largest diameter is less than 23 mm，the field of view（FOV） is 80°，and the relative aperture is 1∶2.2.Its modulated transfer function in full field is highter than 0.5 at 71lp/mm.The relative fullFOV distortion of the lens is less than 2.0%.The imaging quality of the lens is good.Based on the tolerance analysis of the system，a set of loose machining tolerance is achieved.Keywords：optical design； wideangle lens； aspheric lens； miniprojector引言投影显示适应环境范围广，是一种对环境要求较低的投影显示技术，广泛应用于家庭会议、监控系统、教室教学等显示环境[1]。

基于硅基液晶技术的嵌入式投影物镜的设计作者：杨皓琨赵冬娥刘吉霍晗来源：《科技视界》2016年第03期【摘要】为了适应投影设备向微型化和嵌入式的发展趋势，以光学设计理论为基础，使用Zemax软件设计一款基于硅基液晶（LCOS）投影技术的嵌入式投影物镜。

该镜头由6片球面玻璃镜片组成，有效焦距为9.8mm，相对孔径为1/3，全视场角为56°，光学总长控制在21mm，最小镜片厚度大于0.4mm，在镜头分辨率70lp/mm处，全视场调制传递函数（MTF）值皆大于0.45，畸变值小于1%。

优化结果满足设计要求，且镜片经过加工样板的匹配，能够满足生产加工的需要。

【关键词】光学设计；嵌入式投影物镜；Zemax；像质分析；硅基液晶【Abstract】In order to adapt to the developing trends of projection equipment to miniature and embedded， a projection lens based on LCOS（liquid crystal on silicon） projection technology was designed with Zemax software.The structure is composed of 6 pieces of spherical glass lenses， and its effective focal length is 9.8 mm，F number is 3，full field of view angle is 56 °.The optical total track is controlled at 21 mm and the minimum thickness of the lens is higher than 0.4 mm.At the limiting spatial frequency of 70lp/mm，its MTF value in all fields is higher than 0.45.The distortion value is less than 1%.The optimization results meet the design requirements and the lenses are matched through template matching， so the needs of production and processing can be satisfied.【Key words】Optical design； Embedded projection lens； Zemax； Image quality analysis；Liquid crystal on silicon0 引言随着投影技术的不断发展，使其不断趋于微型化和功能化。

基于Zemax的微型投影镜头设计黄红林;许键【摘要】利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于0.6英寸数字光处理(DLP)的微型投影仪镜头.在满足性能要求的基础上,对普通投影仪加以优化,使投影仪结构更加紧凑,方便携带.系统焦距8.25 mm,后工作距约为18 mm,视场为70°.在33lp/mm处,中心MTF值大于0.6,边缘MTF值大于0.4.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】4页(P49-52)【关键词】光学设计;微型投影镜头;像质评价【作者】黄红林;许键【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;宾夕法尼亚州立大学工程科学系,宾夕法尼亚16802【正文语种】中文【中图分类】TN202引言投影仪的原型是幻灯机,最初只是利用光和影将图像显示在屏幕上。

随着科学技术的发展,投影仪也不仅仅限于简单的显示了,已广泛应用于娱乐、商业、教育和军事等各个领域。

小到投影玩具、手环,大到家庭影院、会议室,到处可见投影仪的踪影。

这也就要求投影仪更加高效、轻便,以便更好地和各种移动设备相结合。

微型投影仪和普通的投影仪相比,不仅体积小,而且焦距更小,视场更大,能在较小的范围内投射出需要的画面,在这种情况下,微型投影仪越来越受到广大消费者的欢迎。

近年来,市场上的投影镜头种类越来越多,但是一般的镜头只考虑性能的提升,大都使用了多个非球面或者二次曲面等非球面设计。

目前,我国的非球面的制造和检测技术都还不够全面,所以给生产制造和产品检测增加了一定难度。

本文基于Zemax软件在适当降低性能的基础上,设计出了一款全部为球面的短焦距数字投影镜头。

为使投影镜头在较短的距离内投射出尽可能大的投影面积,系统必须要有较大的视场,同时,数字投影机内部都含有照明和折转光路,这就要求了系统要具有较长的工作距离。

综合这些基本要求,投影镜头多选用反远距型结构,反远距镜头一般由负的前组透镜和正的后组透镜组成,结构如图1所示。

复眼阵列用于光学数字投影仪的均匀照明导言在数字投影仪的设计中，当我们要显示数字光源均匀辐射的一张照片或者一段视频的时候，我们希望投射在屏幕上相应的图片也是均匀辐射的。

为了达到投影图像照度的均匀性，我们需要有一个空间光调制器，比如均匀照明的LCD板。

由于从灯光装配处发出的光源的发光剖面是一个典型的高斯类型的发光剖面，所以空间光调制器平面不能由光源直接得到。

我们必须设法使发光剖面“消高斯型”，或者在空间域把它从不均匀转化为均匀的发光剖面，这可以通过一对复眼阵列排列的空间光线调制器来实现，现在我们就通过本文介绍，来看一下这些设置是怎样工作的。

什么是复眼阵列？复眼阵列就是一个用各独立光学元器件的二维阵列组合成一个单独的光学元件，它用来完成光线在照明板上由不均匀分布到均匀分布的空间转换。

在使用复眼阵列的数字投影仪上，它们几乎总是和具有可提供半准直光的抛物面镜的灯具装配一起应用。

就目前来看，在照明领域，它们主要应用在LCD数字投影仪灯光引擎上，用来把空间均匀光传递到空间光调制器光照面上。

复眼阵列从上图中可以看出来。

这幅图是由In Vision友情提供的，详情请查看网址www.in-vision.at。

阵列中每一个独立的光学元件的形状可以是长方形或矩形的，而它们的表面形状可能是球形或有一定的变形（垂直和水平方向上具有不同的光强），通常光焦度只分布在阵列的一面，另一面往往是平的。

根据在ZEMAX软件中模拟这些元件，或许最简单的方法就是使用物体类型Lenslet Array1，它包含一排矩形物体，每一个矩形物体都有一个扁平的前表面和一个用户自定义数量的重复性弯曲表面。

阵列表面可以是平面，球面，圆锥面或多项式非球面；或者说一个球形的、圆锥形的或多项式非球面形的复曲面。

这样，在定义、优化阵列中透镜元件的精确表面时就有了很好的灵活性。

上图为我们展示的是一个单独的Lenslet Array 1物体，它由矩形透镜7 x 5阵列组成，每一个矩形透镜其实是球形透镜的矩形区域。

浙江大学硕士学位论文LCOS微型投影仪中照明系统的设计姓名：王蓉申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：余飞鸿20060118浙江走擘硕士学位论文图１．２电影放映机系统结构图随后光学投影仪（ＯｐｔｉｃｓＰｒｏｊｅｃｔｏｒ）被开发出来，外型如图１．３所示，利用复印机将资料复印在投影片上，再将投影片放置在菲涅尔透镜（Ｆｒｅｓｎｅｌｌｅｎｓ）上，经过光学系统中的投影镜头，把投影片上的资料投影在屏幕上。

其制作手续及成本都比幻灯片简单且便宜。

图１．３光学投影仪的外型图公元１８９７年，德国人布朗ⅨａｒｌＦｅｒｄｉｎａｎｄＢｒａｕｎ）发明了具有发射荧光的阴极射线管（Ｃａｔｈｏｄｅ．ＲａｙＴｕｂｅ；ＣＲＴ），于公元１９２６年拜尔德（ＪｏｌｌＩｌＢａｉｒｄ）在英国展示了实用型的阴极射线管电视，并领用电视摄影机或电荷耦合影响感应器（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅＤｅｖｉｃｅＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒ）直接将图像资料输入电视。

即可使观众观看到即时影像。

然而，阴极射线管电视是由高速的电子打在屏幕的荧光物质上，电子动能转变为激发荧光物质发光的能量，同时会产生对人体有害的辐射；另外玻璃荧幕所能承受的真空压力大小限制了屏幕的尺寸。

公元１９６５年投影电视（ＣＲＴＰｒｏｊｅｃｔｏｒ）浙江大学硕士学位论文示。

我们选择的参数，第一焦距ｆｉ＝ｌＯｍｍ，第二焦距ｆ２＝５０ｍｍ，反光碗长度为３０ｒａｍ。

图３．３椭球反光碗系统这种传统的反光碗在会聚弧光灯发出的光的同时会损失一定的光能，如图３．３所示０角度内的光线无法到达目标点，从而限制了投影仪的最终投影距离以及投影大小。

另外由于发光体有一定的体积，不能被看作理想的发光点，不同方向出射的光线会在目标面上扩展开来，得到一个光能沿半径逐渐减小的圆斑。

在椭球反光碗系统的目标点设置８×８ｍｍ的观察面进行分析，观察面上的光强照度图如图３．４所示，观察面上的光能为８６．０３６ｗ，光能利用率为５７．３６％，光能利用率不高，且光能不够集中。

Lcos微型投影机简析陈铭 20090706LCOS作为一种微型显示技术，在90年代末就已经出现，随着技术的成熟、工艺的逐步完善，已逐渐与DLP、LCD两大显示技术在投影市场上形成分庭抗礼之势。

LCOS的结构是在单晶硅上生长电晶体，利用半导体集成制作驱动面板(又称为CMOS－LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极的上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装。

像素电极同时也作为反射镜，像素的尺寸一般可以做的很小约为7～20μm，开口率高达96％。

结构见图1（摘自网络）图1利用单片LCOS器件进行投影机开发大致可分为两大类：一是利用RGB色光作为光源，利用单色LCOS较高的场刷新率特点，采用时序方式将一场信号分解为R场、G场、B场分别显示，然后利用人眼的视觉暂留特性进行时间混色，形成一副完整的彩色图像；二是利用白光作为光源，采用单片CF-LCOS作为成像器件直接成像为彩色图像。

CF-LCOS技术以台湾的HIMAX为代表，其技术特点是在单色LCOS芯片上，加上印刷有红、绿、蓝滤色单元的CF膜，然后将该CF膜和LCOS的液晶成像单元严格对准。

这样，原来LCOS面板上的一个物理像素就变成了对应的一个基色点，由3个相邻的R、G、B基色点组合成一个完整的显示像素。

当白光照射进来的时候，由驱动电路控制，把图像对应的R、G、B点阵信息分别送到相应的物理显示像素上，并根据该像素的灰度等级，控制液晶分子旋转，对白光进行光阀开关控制，被控制的白光透过物理像素对应的彩色滤色片单元后，形成彩色的图像。

CF-LCOS面板由于采用了和传统TFT-LCD相似的成像原理，故使用起来非常简单。

只需要单片面板+白光光源就能生成彩色图像，其相对于时序方式具有以下优点：1、在光路设计上远比时序方式简单，也完全没有时序方式光路设计不当带来的白场色彩不均匀现象；2、由于采用R、G、B滤色片进行空间混色，因此图像全场刷新率在90HZ（CF-LCOS要求的最低刷新率）以上，显示的图像平滑细腻、画面稳定、无闪烁感。

复眼阵列用于光学数字投影仪的均匀照明导言在数字投影仪的设计中，当我们要显示数字光源均匀辐射的一张照片或者一段视频的时候，我们希望投射在屏幕上相应的图片也是均匀辐射的。

为了达到投影图像照度的均匀性，我们需要有一个空间光调制器，比如均匀照明的LCD板。

由于从灯光装配处发出的光源的发光剖面是一个典型的高斯类型的发光剖面，所以空间光调制器平面不能由光源直接得到。

我们必须设法使发光剖面“消高斯型”，或者在空间域把它从不均匀转化为均匀的发光剖面，这可以通过一对复眼阵列排列的空间光线调制器来实现，现在我们就通过本文介绍，来看一下这些设置是怎样工作的。

什么是复眼阵列？复眼阵列就是一个用各独立光学元器件的二维阵列组合成一个单独的光学元件，它用来完成光线在照明板上由不均匀分布到均匀分布的空间转换。

在使用复眼阵列的数字投影仪上，它们几乎总是和具有可提供半准直光的抛物面镜的灯具装配一起应用。

就目前来看，在照明领域，它们主要应用在LCD数字投影仪灯光引擎上，用来把空间均匀光传递到空间光调制器光照面上。

复眼阵列从上图中可以看出来。

这幅图是由In Vision友情提供的，详情请查看网址www.in-vision.at。

阵列中每一个独立的光学元件的形状可以是长方形或矩形的，而它们的表面形状可能是球形或有一定的变形（垂直和水平方向上具有不同的光强），通常光焦度只分布在阵列的一面，另一面往往是平的。

根据在ZEMAX软件中模拟这些元件，或许最简单的方法就是使用物体类型Lenslet Array1，它包含一排矩形物体，每一个矩形物体都有一个扁平的前表面和一个用户自定义数量的重复性弯曲表面。

阵列表面可以是平面，球面，圆锥面或多项式非球面；或者说一个球形的、圆锥形的或多项式非球面形的复曲面。

这样，在定义、优化阵列中透镜元件的精确表面时就有了很好的灵活性。

上图为我们展示的是一个单独的Lenslet Array 1物体，它由矩形透镜7 x 5阵列组成，每一个矩形透镜其实是球形透镜的矩形区域。

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计李维善;陈琛;张禹;刘宵婵【摘要】A wide-angle digital mini-projection lens applied to 0. 5\"digital light processing(DLP) projectors was designed with ZEMAX. The structure is composed of 8 lenses. It is characterized by simlicity, compactness, low cost and easy processing. The effective focal lenth of the lens is 8. 25 mm, F number is 2. 2, field of view (FOV) is 80. 5°, the maximum diameter is less than 24 mm,the optical total track is 40mm and the back working distance is 24mm. Its modulated transfer function (MTF) in all fields is higher than 0.45 at 66 1p/mm. The absolute value of the full FOV distortion is less than 0. 7%. The lateral chromatic aberration is less than 0. 5 pixel . The image quality of the lens is very good.%利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头.镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点.镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm.镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 Ip/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7％,垂轴色差小于0.5个像元大小.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)006【总页数】5页(P1121-1125)【关键词】光学设计;微型投影镜头;ZEMAX;MTF;畸变;垂轴色差【作者】李维善;陈琛;张禹;刘宵婵【作者单位】秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000【正文语种】中文【中图分类】TN202;O439引言从历史上第一台投影仪到后来的光学投影仪，再到今天的数字投影机，投影技术发展到今天，已经不单是放映清晰高效的影像效果如此简单的要求了。

微投影广角镜头设计居荣兵;康廉洁;韩敏;刘言【摘要】为了满足国内外视场投影仪微型轻量化的趋势,设计一款适用于德州仪器推出的1.19cm(0.47英寸)、1080 pix数字微反射镜片的微型广角投影镜头.镜头由7片玻璃(均为国内常见玻璃)和2片塑料(4面非球面)透镜组成,结构简单,易加工.透射比0.66∶1,即在600 mm处投影出111.76 cm(44英寸)的画面,镜头有效焦距6.45 mm,F#:2.1,全视场86°,系统总长46mm,最大口径22 mm,在空间极限频率93 lp/mm处0.8视场以内传递函数值都超过0.62,边缘视场的传递函数值超过0.43,全视场畸变小于等于2％,垂直色差小于等于0.18 μm.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)004【总页数】5页(P527-531)【关键词】微投影;广角镜头;光学设计;大视场【作者】居荣兵;康廉洁;韩敏;刘言【作者单位】江苏大学机械工程学院,江苏镇江212000;江苏大学机械工程学院,江苏镇江212000;江苏大学机械工程学院,江苏镇江212000;江苏大学机械工程学院,江苏镇江212000【正文语种】中文【中图分类】TN202;TH741.5从18世纪年奥古斯特的第一台幻灯机到后来的光学投影仪,再到现今数字投影机。

如今的投影技术,已经不单要求放映清晰高效的影像效果，而且投影机广泛应用于生活、教育、商业、军事等不同领域,这就使得高效性、轻便性成为主流,因此，微型投影随之应运而生。

微型投影仪市场定位随着体型缩小，清晰度提升,节电便携等特点，投影厂商更加重视独立性。

目前,全球的微投影有两大主流技术,分别是以DLP显示技术为主的美国德州仪器、奥图码，中国台湾的扬明光学、sansum、LG等厂商;使用LCOS技术有3M、中国台湾的奇景光电、日本的JVC等。

德州仪器(TI)于2015年公布了应用于微型投影机投影机芯片组件，为1.19 cm(0.47英寸) TRP Full-HD 1080 p display chipset，它的发布，使得微型投影机步入1 080 p 时代。

（转）LCOS投影技术介绍硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCoS）是一种液晶显示器（LCD）的新兴技术，是由Aurora Systems融合半导体CMOS集成电路与液晶两项技术的优势，于2000年开发出的一种高分辨率、低价格反射式新型显示技术。

它是一种将LCD直接制于单晶硅片上的新型液晶显示器件。

单晶硅片上可将LCD的有源矩阵薄膜晶体管（AMTFT）、外部驱动电路及控制电路等全部制于上面，以此作为LCD的一块基板，与另一块作为公共电极的涂上透明导电层的玻璃基板共同封接成一个薄盒，注入液晶即可制成硅基液晶显示器件（LCoS）。

众所周知，LCD已经历了TN型、STN型及TFT型等数代的更新，它们都是在LCD自身上下功夫。

而目前的LCoS则是将LCD与集成电路（IC）制成一体，这对LCD而言，无疑是一个全新的技术突破，它是TFT-LCD的新一代液晶显示产品。

2.LCoS的技术特点LCoS的结构是在硅片上利用半导体工艺制作驱动面板（亦称CMOS-LCD），然后在单晶硅片上通过研磨磨平，并镀上铝（Al）作为反射镜，形成了CMOS基板，再将CMOS基板与涂有透明电极的上玻璃基板粘合，并注入液晶，进行封装而成。

LCoS的结构特点决定了其与常规LCD有着众多的不同点，具有一些LCD及任何其他显示器所无法比拟的技术特点。

2.1智能型显示器件由于LCoS属于一种将液晶显示器件（LCD）与大规模集成电路（LSIC）制成一体的显示器件，甚至还可将信息处理系统集为一体，故使显示器件自身具有了某些智能功能，可将其称为智能型显示器件。

智能型显示器与性能最先进的芯片相结合，不仅能处理极其复杂的运算，而且还能拥有与PC相类似的多种功能。

不是PC胜似PC，故智能型显示器将不再是电脑的外围设备而逐渐上升为主流设备，与电脑平起平坐。

LCD与LSIC是一对孪生兄弟。

LCD的轻、薄、小、微（是指功耗）的特点使显示器件的信息显示实现了个人化，而个人化的最终结果为LSIC提供了宽阔的市场发展前景。