摘 要

目前，小屏幕投影系统已经不再能满足人们的需求，人们不但追求拥有大屏幕沉浸式体验的投影仪，并且也开始关注其简易性和便携性。在实验室如何自行搭建一套简易的投影系统可以为设计性能优良的投影仪提供一定的参考价值。

本文通过对投影仪三个组成部分，成像器件、照明系统、投影物镜的讨论与分析，选择使用手机作为成像器件与照明系统。在对投影系统进行了参数的计算后，使用光学仿真软件CodeV设计了一个三片式投影物镜组，并对原理进行了详细地阐述。

本文选择了三片式投影物镜结构，并使用CodeV软件对初始结构进行优化和仿真，得到了较好的成像质量，空间频率在20以内的时候都能够满足MTF大于0.7，且垂轴像差仅仅为0.071。此外，在实验室搭建了四组不同焦距组合的三片式投影物镜，并取得了良好的投影效果。四种投影物镜方案均可得到清晰放大的投影图像。其中，方案四的放大倍数最高，但是可显示的内容较少，而方案一的可显示的内容最多，但是放大倍数较低。相比而言，方案四的综合效果最佳。研究结果对简易微型投影仪的设计和使用有一定的指导意义。

本文的特色创新在于：自主设计了一套简易的三片式投影系统，在CodeV软件上进行了仿真与优化，搭建出了实物投影系统，并且提出了四种不同的方案，投影效果均良好。

关键词：三片式投影仪；CodeV；投影物镜；光学仿真

Abstract

Currently, the small screen projection system can no longer meet the needs of people. People not only pursue the projector with large screen immersion experience, but also begin to pay attention to its simplicity and portability. How to set up a simple projection system in laboratory can provide some reference value for designing projector with excellent performance.

Based on the discussion and analysis of three components of projector, imaging device, illumination system and projection objective lens, a three-lens projection system is designed by using mobile phone as imaging device and illumination system.After calculating the parameters of the projection system, a three-lens projection system is designed by using the optical simulation software CodeV, and the principle is described in detail.

In this paper, the three-lens projection structure is selected, and the initial structure is optimized and simulated by CodeV software, and a good imaging quality is obtained. When the spatial frequency is less than 20, the MTF is larger than 0.7, and the vertical aberration is only 0.071. In addition, four groups of three-lens projection with different focal length combinations were set up in the laboratory, and satisfying projection effects were obtained. All four projection schemes can obtain a clear and magnified projection image. Among them, one scheme has the highest magnification, but the content can be displayed less, while the other scheme can display the most, but the magnification is lower. Among them, the comprehensive effect of scheme four is the best. The research results have certain guiding significance for the design and use of simple miniature projector.

The characteristic innovation of this paper is that a set of simple three lens projection system is designed independently, the simulation and optimization are carried out on the CodeV software, the projection system is built, and four different schemes are put forward. What’s more, the projection effect is good.

Key Words：Three-lens projectors; CodeV; Projection lens; Optical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本论文的研究现状 1

1.2 本论文的目的及意义 2

1.3 主要内容及章节安排 2

第2章 基本原理 4

2.1 投影机原理 4

2.2 投影机技术 5

2.2.1 CRT投影仪 5

2.2.2 LCD投影仪 5

2.2.3 DLP投影仪 6

2.2.4 LCOS投影仪 7

2.2.5 几种技术的比较 8

2.3 投影仪的光源 9

2.4 投影仪的投影物镜 10

2.4.1 投影物镜的光学透镜 10

2.4.2 几种投影物镜 11

2.5 小结 14

第3章 基于CodeV的投影物镜仿真 15

3.1 系统参数指标要求 15

3.2 投影物镜的仿真 16

3.2.1 柯克式物镜仿真模型一 16

3.2.2 柯克式物镜仿真模型二 18

3.2.3 天塞式物镜仿真模型一 20

3.2.4 天塞式物镜仿真模型二 22

3.3 小结 24

第4章 三透镜投影实验 26

4.1 实验仪器 26

4.2 实验方案及效果 28

4.2.1 方案一 28

4.2.2 方案二 29

4.2.3 方案三 30

4.2.4 方案四 31

4.3 小结 32

第5章 结论 33

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

投影仪是一种能够利用光学投影方式将图片、视频或幻灯片进行大屏幕投影显示的设备，通过对应的接口可以与电脑、机顶盒、手机、移动硬盘甚至U盘等连接并播放其中的内容。投影仪目前广泛应用于学校、公司、家庭、展会、数字电影院、研究机构等地方。

1.1 本论文的研究现状

在现代的信息化社会中，随着社会的不断进步，科技的不断发展，电子产品的成本越来越低的同时社会的消费水平越来越高，人们已经不满足于中小屏幕的显示设备，开始追求拥有沉浸式体验的大屏幕显示设备。如果采用传统的大屏幕LCD电视，100英寸以上的价格高达100万元以上，而这是一般家庭或用户负担不起的^[1]。

自从作为投影仪的雏形的幻灯机于1839年问世开始，投影这项技术不断的受到人们的重视。现代投影技术已经经历了二十多年的发展，从最早的CRT三枪投影（以阴极射线管为光源与成像器件）、液晶光阀投影，到后来的LCD单片机投影、LCD三片机投影（以LCD作为调制器件），到现在市场占有率最高的DLP投影（以DMD作为调制器件）和新兴的LCOS投影^[1]。随着技术的发展，投影仪的性能不断的提升，而售价却不断降低，几千元就可以享受上百寸大屏幕带来的震撼的显示效果，最便宜的微型投影仪甚至仅需几百元。目前，微型投影仪拥有广阔的市场前景。新光源的出现，短焦镜头的成功研发和成熟的微投芯片等使家庭用的微型投影仪逐步成为现实。从2010年以后，投影仪的主攻市场逐步的由商用和教育转向为家用，而且其发展势头强劲。各大电子设备厂商针对普通消费者推出了微型投影、玩具投影、手机投影等产品。投影仪除了需要成像器件，还需要光源发出光线，以及投影物镜将成像器件的图像进行放大。在光源方面，目前投影仪采用的光源一般分为超高压汞灯、LED光源和激光光源^[2]。微型投影仪中使用的一般为亮度较低的LED光源，它的优点是体积小且不需要散热系统。在中档投影仪中使用的一般为超高压汞灯，它拥有性价比高等特点。只有在对亮度要求较高的高档投影仪中才会使用激光光源。在投影物镜方面，一般采用的有柯克式物镜、天塞式物镜、双高斯物镜和反远距物镜^[3]。

随着现在智能手机的普及，每个人几乎都有一台属于自己的智能手机。智能手机一般拥有4-6英寸的液晶显示屏，这是一个随手可得的智能显示器。然而现在市面上的投影仪都需要通过HDMI高清线连接才能传输画面，同时还需要电源进行供电。即便是最简易的便携式投影仪，仍需要通过路由器与手机进行无线连接才能传输数据，而且这种投影仪的价格普遍在千元以上，因为在缩小体积的同时随之而来的还有不得不提高的成本。在对成像质量要求不高的情况下，使用手机与投影物镜即可组合成一个简易投影仪，因为智能手机既可以成像，又可以发出光线，是投影仪中成像器件和照明系统的结合。然而，目前市面上没有一款可供学生在实验室进行搭建，或者普通消费者自己进行组装的、以手机显示屏为成像器件，将手机上的内容投影出去的简易投影仪。

1.2 本论文的目的及意义

相关数据表明微型投影仪具有极大的发展空间，目前，投影仪的结构普遍较复杂，投影物镜由多个镜片构成，光学系统长度过长。此外，由于结构的复杂，不可避免地导致了投影仪高昂的成本。因此，本文的目的在于如何在实验室搭建用于教学的简易微型投影仪以及普通消费者如何动手自制简易投影仪。

本论文拟通过在计算机软件上仿真构建一个三镜片的简易高清投影系统，并在实验室对系统进行搭建。研究结果对理想的简易微型投影仪的设计和研究提供一定的思路，有一定的指导意义。

1.3 主要内容及章节安排

本文主要是基于CodeV设计一种简易的三片式投影仪。投影仪主要由三部分组成，包括显示器件（产生图像）、照明系统（发出光线）和投影物镜（放大图像）。在这里，拟用手机作为被投影物品，通过投影物镜将手机上的图像进行放大。因为手机既可以产生图像，又可以发出光线，因此可以将其看作显示器件与照明系统的结合。所以只需设计出能够放大图像的投影物镜，并调试出手机、投影物镜与光屏的位置即可。设计投影物镜中使用到的指导思想为光路可逆原理。因为作为物平面的成像器件很小，而作为像平面的投影屏很大，不便于直接进行设计。因此利用光路的可逆性原理，对光路进行反向设计^[4]。为了方便学生以及其他研究人员在实验室中重复本实验，因而设计的投影物镜不能过于复杂，或者选用不易于获取的材料。基于此，本文最终选择了三片式投影物镜的结构，由正透镜、负透镜、正透镜的结构组成。设计了四种不同焦距组合的投影物镜，并且在对它们进行调试后，记录和分析了实验结果。最后，对四种结构的投影物镜的几种投影性能和进行了比较。

本文的各章节的内容安排如下：第2章介绍了投影仪的理论知识，包括投影仪原理、投影仪结构组成等，并对投影仪的各组成部分如成像器件、照明系统和投影物镜进行了详细地介绍，对同一结构中的不同技术进行了分析和比较，说明了适用场景。第3章则主要展示了基于CodeV的仿真的投影物镜的结构。在这一章中共设计了四种仿真方案，通过分析MTF、视场图和光线像差图，判断并比较了各个方案的成像质量。第4章为实验部分，在这一章中采用了柯克式投影物镜的结构，搭建了四种不同焦距组合的投影系统，并分析对比其成像质量、光学系统长度、放大倍数等参数和性能。第5章则根据仿真和实验的结果进行了总结，并基于本文的研究结果对之后的投影结构进行了展望。

第2章 基本原理

2.1 投影机原理

按照投影仪的投影方式，可将投影仪分为正投影和背投影。其中，正投影为观众和投影仪在同一侧（如图2.1（a）），而背投影为观众和投影仪在屏幕的两侧（如图2.1（b））^[5]。生活中我们见到的电视等均为背投影，但是本论文所讨论的投影仪均为正投影。

（a） 正投影示意图

（b）背投影示意图

图 2.1 正投影与背投影

投影仪由显示器件和光学引擎组成，而光学引擎包含照明系统与投影物镜^[6]。其中，显示器件决定了投射出来的图像，照明系统决定了投射出来的图像的亮度，投影物镜则决定了投射出的图像的大小和清晰度。投影仪的原理是一个较为复杂的光电相互配合的过程。首先，照明系统的光源发出光线，光线经过聚光照明系统的透镜组汇聚后射到显示器件上。经过系统信号的调制，输出带有图像的光信号，经过合色系统和投影物镜后到达屏幕形成放大清晰的彩色图像。

2.2 投影机技术

目前投影机技术可分为四类：电子管投影仪，即CRT（Cathode Ray Tube）投影仪；液晶投影仪，即LCD（Liquid Crystal Display）投影仪；数码投影仪，即DLP（Digital Light Processor）投影仪；硅基液晶投影仪，即LCOS（Liquid Crystal on Silicon）投影仪。

2.2.1 CRT投影仪

CRT投影仪是出现时间最早的投影仪，也是一款三枪投影仪。它可以把输入的信号源分解成红光、绿光、蓝光到三个荧光屏上，三色光经过放大、会聚后投射到屏幕上实现投影。这其中，阴极射线管既作光源又是图像。CRT投影仪的图像质量非常好，但是由于一系列的缺点如亮度较低、机身庞大、价格高昂等，以及新技术的出现，现在已经基本已经被市场所淘汰^[7]。

2.2.2 LCD投影仪

LCD投影仪是第二代投影仪，它结合了液晶显示和投影技术，使用灯泡作为光源，液晶面板控制图像。液晶是一种介于固体和液体之间的物质。液晶投影仪的原理是利用了液晶的光电效应，即外加电场的强弱可以改变液晶分子的状态和排列顺序，继而改变液晶分子的透光率以及反射率，从而实现了利用控制系统发出的电信号来控制透过液晶的光强，产生不同灰度阶级和不同颜色的信号，达到输出图像的目的^[8]。

LCD投影仪包含单片机和三片机两种。单片机LCD投影仪由一片液晶面板作为光源调制器件，它需要同时产生红、绿、蓝三色光，然后投影到屏幕上并实现空间混色，因此光源利用率较低。它虽然价格低廉，结构简单，体积较小，但因为画质较差，颗粒感明显，已经基本被淘汰，仅有部分低档投影仪还使用这项技术。三片机投影仪则采用了三块液晶面板作为RGB三色光的光源调制器件，基本原理图如图2.2所示^[9]。首先，光源发出的白光通过分光镜先后分出红、绿、蓝三种光，实现光学色彩分离。接下来，三色光分别到达各自的液晶面板。三个面板接收到控制端发来的不同的电子控制信号，液晶面板随之变化透明度，分别形成三幅单色光的灰阶图像。随后，三幅单色光灰阶图像经过会聚透镜实现光学色彩合并，会聚成为一幅彩色图像，经过投影物镜后投影在大屏幕上形成彩色图像。相比于单片机，三片机的颜色更逼真，光源利用率更高，但是体积更大，价格也更为昂贵。

图 2.2 液晶投影仪基本原理图

2.2.3 DLP投影仪

DLP投影仪，中文名为数字光路投影仪。它的基础是名为DMD（Digital Micro Mirror Device）数字微反射器的成像器件。DLP技术作为美国德州仪器（TI：Texas Instruments）的专利技术，在全世界仅有该公司能够提供DMD芯片和DMD控制器等核心元件。DLP技术是一个划时代的技术，它使全数字信息的投影显示最终成为了现实^[10]。

DLP投影仪由光源、透镜组、分色轮盘、DMD芯片和物镜镜头组成。其中，作为核心元件的DMD芯片由数百万个可根据电场信号微小转动的金属反射镜组成，每个微小反射镜的尺寸为14μm*14μm，微镜之间的间隔为1μm。每个微镜都可以处于两个状态：ON（ 12°）和OFF（-12°）^[11]。由此可以将光线反射到两个不同角度，而只有其中一个方向有物镜镜头，另一个方向为吸收光线的装置，从而达到了利用微镜实现“开”和“关”的目的。控制系统发出的信号可以控制电场的强弱，而微镜可以根据电场强度改变自身的状态，每秒可实现5000次的微转动。在一段微小的时间内，微镜处于开的状态越长，光点的亮度越高，反之亦然，因此可利用此原理控制灰阶的效果。DLP投影仪的原理如图2.3所示：首先，光源发出的光经透镜会聚后投射到分色轮盘上，分色轮盘以60Hz的频率不断的转动，使红、绿、蓝三种不同颜色的光依序通过，且当前颜色与视频信号是同步的。经DMD芯片上的微反射镜调制后，单色灰阶图像以极快的切换速度反射到物镜镜头并最后投影到屏幕上，利用人眼的视觉暂留现象，最终呈现出彩色图像。

DLP投影仪同样也包括单片机和三片机两种。单片机可以产生1670种颜色，光利用率高，而且机器小巧轻便，广泛应用于商用及家用投影仪。三片机由三片DMD芯片构成，每个芯片处理三原色中的一种，可生成3500万种颜色，虽然图像显示效果极佳，但结构复杂，价格高昂，一般应用在数字电影院等地方^[8]。

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