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    [原创]关于微型投影光机照明光路设计—DLP平台 [复制链接]

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    离线daxingyang
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 06-08
    经常在“光行天下”下载资料和旁观各位前辈的技术讨论,为了杜绝“白嫖”的嫌疑,这里和大家分享一下微型投影光机光学设计的一些个人经验。 fceO|mSz_  
    9`^(M^|c  
    因为论坛中关于镜头设计的帖子已经很多,我不敢班门弄斧,所以只对基于DLP平台(也就是DMD)的微型投影光机的照明部分的光学设计做简单的阐述,仅供参考!如果和各位大牛的想法相左,也请轻喷! ?V~vP%1  
    xj AU Csq  
    首先,我认为微投的光学设计主要分为两个板块:成像光学设计和照明光学设计;而照明光学设计我认为主要也分为三个部分:LED准直光路,复眼光路和DMD聚光光路。我通常把LED准直光路叫“Condensor部分”,复眼光路就是“Lens Array部分”,DMD聚光光路叫“Relens部分”。而照明光路和成像光路的连接部分通常是棱镜。这些年常用的棱镜有“RTIR棱镜”和“TIR棱镜”,也有不用棱镜的,很少。这个连接部分需要考虑的主要光学因素是两者的“F/#”和“主光线角度”。 /Q89y[  
    ?Ycl!0m  
    我习惯把投影的照明光学设计分成上述三个部分来单独设计,当然,在单独设计前需要首先通过“光学扩展量”的统筹计算来分配光学参数。比如每个部分的出入射光角度和出入射光的光斑尺寸等等,说得专业一点就是NA值,或者F/#。这个工作是软件无法提供的,需要研究任意一本《几何光学》上的光学理论,这里我要感谢帮助过我的高老师,前领导CXH,ZY,同事Arther,Cyan,FY,MHH等等。 oxI?7dy5  
    KCp9P2kv.  
    当我们通过上述计算已经得到了与设计要求的DMD尺寸匹配的LED型号,有效光学口径范围,有效光程尺寸等参数之后,接下来就是各个击破了: a>d`g  
    GZuWA a  
    1.Condensor部分: Vvfd?G"  
    GlC(uhCpV  
    zR/mz)6_  
    通过上面的图片可以很容易判断,目前基于LED光源的微型投影,其光源准直部分大多采用两片式,一般是1G+1P,其实要求很简单,就是一句话:在最小的有效光斑口径下做到输出尽量小角度的出射光线!做到这个光学指标之后,其余的大部分工作就是机械问题,比如:镜片尺寸是否合理?镜片材料是否便宜,好加工?镜片的形状是否好加工?非球面镜片的面型是否好开模?非球面镜片的面型是否敏感?镜片的镀膜是否稳定?等等。 *p\fb7Pu_3  
    B:cQsaty  
    2.Relens部分: )>"Ky  
    NweGK  
    P)Oe?z;G?  
    这个部分相对于Condensor部分就难一些了。首先就体现在你用什么棱镜,“TIR”还是“RTIR”?然后就是要用“序列模式”还是“非序列模式”?如果是“序列模式”,那要了解“反射面设置”,“镜片的偏心设置”,“镜片的倾斜设置”等等,然后需要记住“坐标断点”的逻辑关系,不要弄错了。基本的设计框架可以参考“广景”“安华”“扬明”等微投影公司的,目前来看,这十年变化不是很大。 ]HXHz(?;F  
    +o0yx U 7t  
    说完基本设置,在优化的时候,可能需要一点点的镜头设计知识,比如“远心镜头成像原理”,“光线控制知识”,“Spot点斑优化知识”,“光线角度控制知识”,可能每个人的习惯不一样,我的镜头设计能力非常一般,但用在照明设计上也算够用。不管什么水平,在这里,终极目的就是要把之前“Condensor部分”定义的有效光斑内的光线均匀地,高效地,尽量清晰地呈现在DMD有效面上(当然要适当留一些光斑余量,TI给出的建议是15%-20%,因具体项目而异)。 eQ6wEeB9  
    ) jM-5}"  
    3.Lens Array部分——复眼部分: 0;OZ|;Z  
    0 xvSi9  
    ,iZKw8]f  
    :hWG:`  
    d6??OO=~>M  
    复眼其实只要了解了它的工作原理,那么设计起来就相对简单了。 ]F;1l3I-  
    6g#E/{kQw  
    复眼在投影光路中的作用是将LED上面的光均匀化,然后在照射到DMD面上,使投影出来的画面颜色和亮度更加一致。我理解的“复眼匀光原理”不是像通常人理解的“照度上面的均匀化”,而是有一个“卷积”的效果,类似于“傅里叶变换”,将“照度均匀化”的需求变成了“角度均匀化”的过程,这也是为什么“复眼透镜”通常被叫做“光学积分器”的一个原因。 F|oyrG  
    TT#V'r\  
    扯理论容易让人蒙圈,简单来说就是:入射光S1面的焦点要刚好在出射光S2面上面!这个和材料的折射率和两个面的R值有关(一般两个面的R值取同一个值,原因自己体会),然后再根据我们之前第一步的Condensor设计和第二步的Relens设计的口径要求和光线角度要求,设置合理的单眼长宽尺寸,理论上这个长宽尺寸应该和DMD的长宽尺寸比例一致,但通常情况下,因为我们的Relens部分不是旋转对称的模型,两边的光程并不统一,所以光斑的长边和短边实际照射到DMD有效面的放大倍率不一致,所以一般复眼的长边和短边的比值要小于DMD的长边和短边的比值。这个工作可以在ZEMAX上面完成,也可以在TracePro和Lighttools上完成。 W+4Bx=Mj  
    2FO<Z %Y  
    4.整体合成模拟: &%(SkL_]  
    jJ'NYG  
    理论上来说,我们用的ZEMAX,TracePro,Lighttools,ASAP等软件都可以进行整体模拟,我的习惯是这样子的,仅供参考: X%B$*y5  
    ?=-/5A4K  
    首先要在ZEMAX上把所有的东西,包括镜头全部建模,查看光线的基本走势和形态,这方面可以参考TI的参考设计进行修改,我不知道TI允不允许发到网络上,如果可以,我后面再补上。 *1:kIi7_  
    #e@[{s7  
    其次我会使用Pro/E或者SolidWorks搭建基础的3D模型(有时候偷懒会请公司的结构工程师帮忙),然后倒入到TracePro和Lighttools上面进行光线模拟,这个时候一方面查看主要的光路情况,另一方面要重点查看没有控制好的光线对整个投影效果的影响(比如杂散光,对比度等),适当的时候可以通过这两个软件简单优化。 g 4 $  
    WYcZD_  
    然后,就是光照均匀性和光照亮度的模拟。我的一位前台湾同事有教过我用ASAP模拟,快速,准确,就是编程比较麻烦,需要花功夫学习。常规的模拟可以通过TracePro和Lighttools,当然这两个软件模拟的准确性要差很多,需要结合很多实际生产经验来弥补某些参数的缺失。 vD/l`Ib:  
    C58B(Ndo  
    以上这些,权且收笔,见着有心,不喜勿喷,欢迎指正和交流! \TDn q!)?  
    Ri::Ek3qu  
    Daxingyang于2020年6月8日
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    tiantian 光币 +2 - 06-15
    songyang1169 光币 +10 优秀文章,支持! 06-10
    蠊蠊 光币 +5 优秀文章,支持! 06-08
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    离线canghaiyisu6
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    只看该作者 1楼 发表于: 06-09
    你好,本人设计的DLP思路大致和你一致 W,!7_nl"u  
    分开:照明和投影镜头设计 VrhHcvnZ  
    照明模块分为3个:准直,中继系统,复眼计算 2<'ol65/c  
    各个模块设计好,在TRACEPRO将上述照明3个模块和投影镜头模块,共计4个模块串起来 )}_}D +2  
    追迹光路效率及均匀性 :gRVa=}=  
    不过想交流下,照明模块的效率如何做到更高的效率?
    离线wmh1985
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    只看该作者 2楼 发表于: 06-09
    可以整理成一个文档,下载吗?最好是能有评价指标!
    离线dushunli
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    只看该作者 3楼 发表于: 06-10
    照明光路设计!
    离线tassy
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    只看该作者 4楼 发表于: 06-10
    复眼的工作原理设计。
    离线tomryo
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    只看该作者 5楼 发表于: 06-10
    复眼的工作原理设计
    离线谭健
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    只看该作者 6楼 发表于: 06-10
    复眼的工作原理设计
    离线songyang1169
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    只看该作者 7楼 发表于: 06-10
    优秀文章,支持!
    离线songyang1169
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    只看该作者 8楼 发表于: 06-10
    谢谢分享
    离线thorn12345
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    只看该作者 9楼 发表于: 06-10
    好文章,多谢分享,想问下,光照度和光亮度分析方面lighttools和tracepro不准确吗?ASAP会更准确?真是这样吗
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