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。
gL7rX a j xo!2 GPD. 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！
.k,,PuP [z'jL' \4 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”。
@"aqnj>+ E>u U6#v 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。
r( bA>L*mk *}>)E]O@ 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：
Fj`K$ K? >h$Q%w{V 1.Condensor部分：
Q-yNw0V}F xi)$t#K" ?YF2Uc8z%2 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。
g$JlpD& A(n3<(O/{Z 2.Relens部分：
>H,E3Z sH%Ts@Pl Qs<L$"L1 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。
NLt" yD3t `~N jBtQ 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）。
d@ ] N -\25&m! + 3.Lens Array部分——复眼部分：
p &
Kfy~ C4
-y%W"P 
q Xoq<
| mp*?GeV?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。
m;ju@5X 5inCAPXz 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。
)OK"H^}f +&<k}Mz 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。
FRsp?i
K) hG272s 2
4.整体合成模拟：
WwxV} ?Cf+ VKSn \HT~ 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：
9!ARr@ ; n|B< rx?v 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。
4,BJK`{ Ve OM `jy 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。
=o'g5Be<F xWM?E1@ 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。
Xi w 1E0!?kRK 以上这些，权且收笔，见着有心，不喜勿喷，欢迎指正和交流！
7vc4 JO] =>@
X+4Kb Daxingyang于2020年6月8日
