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。
ahUc;S:v# ob_*fP 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!
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Kf 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”。
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c|++ 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。
K2o\+t 6rll0c~ 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:
lP;X=X> n5U-D0/Q 1.Condensor部分:
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_"H3: \'Z^rjB 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。
s[n*fV']A 2FxrjA 2.Relens部分:
DX b=Ku X4$86 5*hA6Ex7 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。
45(n!"u65 (Do](C 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)。
ls ,;ozU y?-zQs0 3.Lens Array部分——复眼部分:
3*C|"|lJ [B1h0IR >g+e`!;6 *p.70,5, *>,#'C2 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。
DlF6tcoI HxnWM\ p 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。
.Gcs/PN 9NEL[J| 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。
&57s//PrX g5[r!XO 4.整体合成模拟:
+\s&v! 2S@aG%-) 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:
&fRZaq'2R 1=Y pNXX 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。
TD^w|U. p->b Vt 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。
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VD#n N6<G`k, 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。
>mCS`D8 )Rj,PF-9Z[ 以上这些,权且收笔,见着有心,不喜勿喷,欢迎指正和交流!
8-geBlCE, %<yH6h*u Daxingyang于2020年6月8日