投影显示技术是实现大屏幕显示系统的主要方法之一,在当今飞速发展的信息社会中发挥着越来越重要的作用。光学系统是投影显示系统的主要组成部分,决定着系统的亮度、对比度、分辨率、均匀性及色彩等各种性能,因而一直是投影显示技术研究中的重点。 投影显示光学系统的设计,以提高系统的能量利用率、照明均匀性、对比度等性能为主要目标。本文在对投影显示技术的发展现状,尤其是各种新型的反射式微型空间光调制器的工作原理、光源技术、各种投影光学系统的结构和原理、以及各种光学元件的工作原理和设计方法深入研究的基础上,将非成像光学理论引入到投影显示系统的设计中,为投影显示光学系统的设计提供了新的理论依据和优化方法,并针对反射式投影显示光学系统设计中的能量利用率、偏振现象等若干问题进行了详细的讨论。 文章首先阐述了非成像光学中的光学扩展量概念,对投影显示光学系统的扩展量的传递进行了分析。通过对光源的光学扩展量的计算以及扩展量与输出光通量之间关系的详细讨论,提出了以光学扩展量和光源空间光强分布为依据,优化照明光学系统的方法。在此基础上总结了复眼照明系统和方棒照明系统的设计方法,建立了照明系统的扩展量分析模型,并对这两种系统的扩展量与能量利用率的关系进行了深入的分析。 投影显示光学系统的偏振作用分析是本文工作的另一个重点。文章在对各种偏振光学元件的理论分析的基础上,建立了LCoS投影系统的数学模型并通过对照明光偏振态的追迹分析,提出了引入波片改进系统偏振性能、提高对比度的理论设计方法,并给出了针对实际的三片式LCoS投影系统的计算结果。 在理论研究的基础上,文章的最后给出了单片式DLP背投影光学引擎和三片式LCOS背投影光学引擎的详细设计过程和设计结果,对系统中的各种关键光学元件和整个系统结构的设计方法、DLP投影系统的对比度和色度学特性等问题进行了深入讨论,并分析了投影显示技术的未来发展趋势。