LCoS微型投影光引擎杂散光分析与抑制＊

刘 昆，余飞鸿

（浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

引 言

微型投影技术又称便携式投影技术、超微投影技术、“皮口”投影技术，利用此技术开发的产品也被形象地称为掌上投影机、口袋投影机。相对传统的电视等显示技术，携带方便是微型投影技术的最大优势。微型投影机的迅猛发展，给经常移动演示的商务人士以解放。2005年至今，微型投影技术在市场需求的驱动下，发展极为迅速。发展至今，微型投影技术一共衍生出了LCD、LCoS、DLP三种主流技术，分别对应三种微显示芯片：LCD（liquid crystal devise，液晶显示器）、LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）、DMD（digital micromirror devices，数字微反射镜阵列）。LCoS是2000年以后发展起来的最新液晶投影技术［1］，相对LCD技术与DLP（digital light processing，数字光处理）技术，LCoS技术具有高分辨力、高开口率、色域广、成本低等优势，文中以LCoS微投影显示系统为对象。

1.2.2 调查方法 每家单位选取2～3名护士担任调查员，经统一培训后开展调查，调查前先向患者及家属说明本调查的目的，取得同意后发放问卷，问卷现场检查并回收。共发放295份问卷，回收有效问卷280份，有效回收率为94.92%。

光学系统的杂散光可理解为设计者不希望到达像面或探测面的那部分光线。杂散光对光学系统（特别是空间光学系统［2］）的成像质量有严重影响，由于杂散光的存在会降低系统对比度、信噪比和成像质量，严重者会导致设计失败，因此抑制杂散光是相当重要的课题［3］。光学系统杂散光依其来源可分为两大类：（1）非成像光束在像平面产生的亮斑，这主要是由于没有对视场外光线进行有效的遮拦或机械结构缝隙的漏光导致；（2）光学系统因为散射、衍射、多次反射等产生的非定向杂散光，这部分杂散光主要包括透射光学表面和镜筒内壁等非光学表面的多次反射，以及由于光学表面擦伤等光学表面质量问题产生的散射光。第一类杂散光具有一定的方向性；第二类则强度较低，其方向杂乱无章。

蒙特卡罗方法是以概率统计为基础，使用随机数来解决问题的一种算法。使用Tracepro进行杂散光分析，按不同的表面属性，每条光线在分界面的吸收、反射、透射、散射等传播都由服从概率分布的随机数决定。文中利用TracePro软件对LCoS微型光引擎的杂散光进行了模拟仿真，找到了系统杂散光的来源，提出了增加挡光装置、对关键面进行处理等抑制杂散光的方法。

1 基于LCoS的投影光学系统

现研究的投影光学系统总体结构如图1所示。光源为大功率白光LED。LED具有体积小、寿命长、发光效率高、光谱中无紫外及红外成分等优点，适合作为微型投影机的光源使用。空间光调制器为colorfilter LCoS显示芯片。LCoS即硅基液晶，是一种基于CMOS（complementary metal oxide semiconductor）工艺的反射式液晶显示技术。由于工作模式为反射式，相关电路驱动部件放置在背面，故其克服了传统透射式LCD开口率、对比度、分辨力偏低等缺点。

投影光学系统主要由照明与成像两部分组成。出于体积、成本等方面的考虑，照明部分采用单片旋转对称非球面透镜。LED发出光束经过该透镜后在目标面上被整形为具有一定入射角的圆型光斑［4］。LCoS有效区域尺寸5.76mm×4.32mm（对角线长度0.28英寸）。为保证LCoS被均匀照明，只有圆斑中央与LCoS大小相同的一部分区域才能被利用，超出的部分则照射在LCoS面之外的区域，这部分光线是第一类杂散光的主要来源。

其中Es（θi，ψi）为光源截面的光出射度，dφs为光源截面光通量，BRDF（θ0，ψ0，θi，ψi）为光源截面的双向反射分布函数，dΩ为接受截面对光源截面的立体角。由式（3）可得出影响光辐射在不同截面间的三个因素：（1）光源面的光通量；（2）光源面材料的散射特性——BRDF（bidirectional reflectance distribution function，双向反射分布函数）；（3）几何构成因子——GCF（geometrical configuration factor），该项仅取决于光源面与接收面之间的光机结构。

结合3D建模软件ProE在TracePro中建立光机实体模型，然后赋予各实体材料属性及表面属性。各光学面均已镀增透膜且光学系统自身较为简单，暂不考虑光线在分界面的多次反射［7］产生的杂光，故各光学面均设置为Perfect Transmitter。PBS上下表面及镜片边缘设置为Frosting，其余机构件表面属性设置为PC。特别需要说明，理想模型中PBS棱边为一条直线，建模过程中为模拟实际PBS个体存在的崩边等品质缺陷，对理想模型边缘进行了倒角。最终光引擎的光学机械模型如图3（a）所示。

图1 PBS工作原理及光学系统Fig.1 PBS work principle and optical system

2 杂散光分析

从辐射的角度看，光束在光学系统内传递的过程即伴随着能量的转移［5］。根据光辐射理论，同一介质中光能在两个截面间传播遵循以下规律：

当散射主要由材料表面的不平整引起，材料表面的粗糙程度远小于光波波长时适用该模型，此时散射是各向同性的。为镜面单位向量在表面上的投影为散射单位向量在表面上的投影。A则决定散射光线的多少，B、g两个参数决定材料的散射特性。文中进行TracePro模拟所用到的部分材料的ABg参数，如表1所示。BRDF在空间的积分为材料的总积分散射（total integrated scatter，TIS）。根据能量守恒定律有

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杂散光作为一种不受欢迎的光辐射，对其的抑制应从上述三个方面考虑：（1）降低杂光源的强度；（2）改善杂光源表面材料的散射属性，如表面粗糙化、发黑处理等，降低BRDF在空间的分布；（3）减小接收面对于杂光源的空间立体角，合理布置光阑、挡光环等结构拦截杂散光的传播，可有效减少dΩ的值。

双向反射分布函数（BRDF）［6］是描述材料表面空间散射特性的基本物理量，它描述了一定方向的入射光线经材料表面散射到空间各个方向的光强分布。对于各向同性的表面，在不同视角观测到的材料表面形貌由BRDF决定。TracePro中的BRDF采用由ABg三个参数构建Harvey－Shack模型：

式（5）中，R为该材料的反射率，T为透射率，A为吸收率。

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TracePro是由Lambda Research Corporation公司开发的一款非序列光学分析软件，普遍应用于照明设计、杂散光分析、投影系统及背光模组设计等领域。TracePro是第一套基于ACIS构建的光学软件。因为TracePro可结合真实三维模型，具备强大光学分析功能、模型转换能力强及容易上手等特点，故使得其用户逐年递增。

LS accounts for 3% to 5% of all CRC[25] and it is the commonest inherited colon cancer syndrome. The average age of malignancy in LS is 44 years, vs 64 years in sporadic CRC[3,17].

式（1）中，Ls（θo，ψo）为光源截面的光亮度。如图2所示，dAs、dAc分别为两截面的面积，θs、θc为两截面中心连线与各自法线的夹角，R为两截面中心连线的长度。对式（1）进行适当的变形

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表1 各表面的ABg参数Tab.1 ABg parameters of the surfaces

图2 光辐射在单一介质中的传播Fig.2 Optical radiation transfer in a single medium

由于液晶自身的特性其只能调制特定振动方向的偏振光，而LED发出的是具有各个振动方向的自然光，故需要在LCoS前置一块偏振分光棱镜（polarization beam splitter，PBS）。PBS棱镜一般由两块高折射率的直角棱镜胶合而成，斜面制备多层薄膜以实现对S光高反射对P光高透射，上下表面为磨砂面，其余各光学面均制备增透膜。如图1所示，亮态投影时入射到LCoS的S光被调制为P光反射出去，穿过PBS后经物镜成像在屏幕，暗态投影时入射的S光未被调制仍然以S偏振态出射，被PBS棱镜反射回照明光路无法到达屏幕。

从镜头向里观察所能看见的表面为关键面［8］，关键面被光源直接照亮后即形成一次散射杂散光。重点采样是一种蒙特卡罗技术，该技术可以大大增加光线往光学系统中特定方面产生和传播的概率。应用重点采样技术后追迹较少的光线即可得到真实的结果。光引擎实体模型建立完成后对PBS上下磨砂面、PBS倒边等关键面设置了重点采样。光源采用尺寸为1.2mm×1.2mm的朗伯体面光源，总光线条数500 000条，总能量100lm，追踪阈值10－8lm。设置完毕后开始光线追迹，在屏幕得到如图3（b）所示的照度图。中央是长宽比为4∶3投影区域，即LCoS经过物镜成的像，其他的光斑即杂散光。得到照度图后，从像面出发，采用反向追迹的方法向前搜寻杂散光的来源。先将TracePro中屏幕的入射光线另存为反向光源文件，然后利用MatLab强大的数据处理功能对不同区域的光线进行筛选，需要分析的光线保留，不需要分析的光线删除。使用新生成的光线文件进行光线追迹。结果发现：（1）投影区域四周条状亮斑来自PBS的倒边及上下磨砂面；（2）投影区域四顶角外的三角型亮斑来自隔圈内表面；（3）最外部圆环状亮斑来自二号镜片的边缘及镜筒内壁。

图3 未处理时的仿真结果Fig.3 Simulation result before processing

针对第（1）点，首先在PBS棱边涂消光漆改善其散射属性，实际PBS棱边涂消光漆后依然存在散射杂光，只是强度有所降低。若进一步在PBS出射面与成像物镜之间增加挡光片予以遮挡，则该处杂散光不可见。挡光片尺寸的确定以不遮挡成像光线为原则，以免引入额外渐晕影响像面均匀性。针对第（2）、（3）点，隔圈内表面、镜筒内壁及二号镜片边缘涂黑［9］。如图4所示，仿真及实验均表明采取以上措施后（2）、（3）两处杂散光基本消除。

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图4 处理后屏幕仿真照度图Fig.4 Simulation illuminance map on the screen after processing

3 结 论

利用TracePro软件对LCoS投影光引擎的杂散光进行了仿真分析，针对不同成因的杂光提出了抑制措施，并且实验验证了其可较好抑制各部分杂光。基于上述分析可得出以下结论：

照明设计时为保证LCoS被均匀照明需对经过准直透镜的出射圆斑进行裁剪，没有被利用的那部分光线是杂散光的主要来源。直接暴露在这部分光斑下的关键面（从镜头往里可被看见的机构件及光学元件表面）应做消光处理，必要时增加拦光装置对关键面的散射杂光予以阻挡。

镜筒内壁、镜片边缘、隔圈内表面等关键面应做涂黑消光处理以抑制散射杂光。机械设计时应尽量使照明与成像两部分隔开，避免照明系统漏光经散射后经由物镜成像。

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