背投影显示中菲涅尔透镜的应用

光电显示工程技术中心

摘要：
    塑料菲涅尔透镜应用背投影系统中，扩散屏幕前面，可以显著提高四周亮度，提高整体显示亮度均匀性。菲涅尔透镜也应用在光引擎中，校准透过LCD面板的光线，使光线聚焦后通过投影透镜。不足之处是增加了透镜成本，重影现象，菲涅尔环，莫尔条纹等。另外，双折射控制在偏光敏感的应用中也十分重要。

1. 介绍
    一旦光学系统中需要较大尺寸透镜，通常采用菲涅尔透镜。透镜直径超过3或4英寸（76mm或100mm）时，玻璃透镜的制造成本就相当可观。如果是应用在显示系统中，另一个需要考虑的因素，就是透镜重量和所占空间都不能过大。而菲涅尔透镜可以做出很平薄，用塑料材料，体积轻，成本低廉。

    塑料菲涅尔透镜也不适合所有的大尺寸应用。因为它的特定结构表面，以及塑料材料的热机械性能限制，导致其精度无法达到某些科技要求，如天文设备中通常需要大尺寸透镜。但是菲涅尔透镜在显示应用中则相当完美。

2. 应用
    一个菲涅尔透镜可以安装在投影系统中，从而减少元器件的数量，体积、尺寸和成本。一般在单片式LCD投影机(single-panel LCD projector)中使用向场透镜(Field lense)和聚光透镜(Condenser lense),使光线更有效地通过LCD。这两种透镜在背投显示器中屏幕系统中广泛使用，使出光更加均匀。图1:

    高射投影系统（Overhead projection system)中使用菲涅尔透镜作为向场透镜(Field lense)和聚光透镜(Condenser lense)，在相机中，菲涅尔透镜是重要聚焦部件，能够明显提高亮度和分辨率。

菲涅尔透镜在背投电视系统中多处运用。包括向场透镜(Field lense)和聚光透镜(Condenser lense),使光线更有效地通过LCD，然后在屏幕系统中使用一个大菲涅尔透镜使输出图象更加均匀。图2.

    其他的应用包括菲涅尔透镜阵列，如移动探测系统中被动式红外（PIR:Passive Infra Red)感应器，大型的菲涅尔透镜阵列也作为太阳聚光器用于高聚光光伏系统。

3. 背投
    菲涅尔透镜被证明最佳应用就是在投影系统中，其作用就是准直光线和聚焦光线。图3中有两个例子说明。
    菲涅尔透镜应用在投影系统中的优势就是，通过聚焦或调整光线准直从而增加增体显示亮度，图3下面一幅图显示了光线从照明系统（灯泡、镜子、集成器）出来后朝向LCD显示器。照明光线将在靠近LCD面板时候转向。如果取消准直镜，光线在穿过面板时会大量损失，显示中会出现明显的热斑效应，降低显示屏幕四周亮度。同样，在LCD屏幕的另一面，我们也必须将光线从面板上集中到投影透镜中。在观看屏幕（图3上面）前使用菲涅尔透镜所增加的亮度，在图4中看光线分布。

          Figure 3 ：菲涅尔透镜应用在投影系统中

                  使用菲涅尔透镜亮度提升

4. 菲涅尔透镜
4.1 背景
菲涅尔透镜是循环同心棱镜折射结构，这些棱镜的表面结构的设计是为了能够折射光线，通过改变传统透镜的曲面为几乎坍塌成平面，通过这种方式，菲涅尔透镜的厚度大大降低。

    同心棱镜折射表面结构成为Slope（倾斜面） 和Draft (干扰面）。倾斜面实际上接近于传统非球面透镜的曲面。理论上，所有反射应该发生在倾斜面上。为了使透镜厚度变薄，相邻工作面之间的干扰面有必要设计成不相等高度，从而能够把曲面还原成平面。光入射在干扰面上会在散落在成像面上，除了使效率降低外，同时会造成其他一些问题（如杂散光：stray light和重影 ghosting）。

    合理设计干扰面以及菲涅尔透镜方向，干扰光损失可以降到最低。见图6显示了压克力透镜在随着焦距在准直/显示应用中对光线透过的变化。

    当准直光线时，菲涅尔透镜结构面朝向无穷共轭。这种方式的话，干扰角可以设计出不影响光线路径。图6展示了如果应用在错误的方向，透镜光透过损失有多大。

4.2. 菲涅尔透镜弊端(detriments)
4.2.1 重影

    菲涅尔透镜应用在显示系统（特别是快速显示系统）里常见的一个问题就是存在重影。重影是一种非常令人讨厌的图象游离，看起来象画面在屏幕上移位时的图象复制。尤其是在高对比度图象中尤为明显，在文本显示时绝对不能接受的。

    重影是由于菲涅尔透镜工作面内部反射所造成的。光线从工作面反射出，在通过透镜平面一侧时发生内部全反射(TIR)，然后通过工作面或干扰面从错误的方向出来，见图七。尽管干扰角度可以设计成不干扰光的直线路径，但重影反射出的光仍然将不可避免地射到干扰面上。

    当透镜焦距/直径比例较低时，压克力正常发生内部反射的几率从3.9%到10%以上。正常视频应用中，这种比例的反射光是觉察不出的。但只要一显示锐度和高对比度（如文本显示），重影图象就十分明显且令人觉得不舒服。另外菲涅尔透镜内部多次反射还可能导致多重重影。

    目前有很多种方式能够降低重影图象的可见性。一个十分有效的方式就是将透镜材料染色。因为重影光线比图象光线光路更长，根据Beer 法则，重影光线也更加稀薄。其缺点就是降低了光线透过率。这在背投影应用中是不可接受的，因为背投影应用中最高原则就是最大限度保留亮度。

    另外一种消除重影方法已经试验成功，就是加深干扰面颜色。尽管很难做到，但可以用黑色吸收性材料仅将干扰面部分涂黑，因为大部分重影光强通过干扰面传播，因此这样能够有效地消除重影。
原则上，应用一种宽带抗反射（AR）涂层在菲涅尔透镜结构面，增加了透过效率，能够降低重影现象。但涂层应用却还未完全成功实现，因为抗反射涂层功能角度需随着菲涅尔透镜中心向外逐渐变化，因其结构面的角度在变化。

4.2.2 Moir （莫尔条纹）
    当不同的光强穿过菲涅尔透镜结构时会产生重叠，从而产生明显的莫尔条纹。当应用在背投影显示中，屏幕通常由菲涅尔透镜和柱面镜加扩散剂组成，当成像元件被投影到屏幕上，就会产生很严重假影。因此，菲涅尔透镜和扩散剂屏幕的设计必须仔细考虑与系统成像元件的节距匹配。图八显示了柱面镜条纹和菲涅尔透镜园环产生的莫尔条纹。
4.3 测量(Metrology)
    为了对菲涅尔透镜在显示中性能进行量化，需要新的测量方法测量重影和莫尔条纹现象。测量重影时使用CCD相机对准菲涅尔透镜，高强光源对准菲涅尔透镜中心，前面蒙上一层带小孔的不透明外罩，测量出有效的焦距是由孔位置与菲涅尔透镜直径比例决定（按图9 F/#=F/D），CCD相机能够自旋转记录扩散面上亮斑强度和重影与强度的比例。
    测量莫尔条纹，目前采用均匀白光照射菲涅尔透镜和柱面扩散。装置和上面重影测量装置很类似，但没有外罩，CCD连续抓拍产生的摩尔条纹，黑光对白色边缘的比例则是对比度。这种测量方法也可以进一步扩展至测量投影放大的光栅图案到测试屏幕上产生莫尔效果。