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光行天下 -> 投影系统光学设计 -> 关于微型投影光机照明光路设计—DLP平台 [点此返回论坛查看本帖完整版本]

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daxingyang

2020-06-08 18:25

关于微型投影光机照明光路设计—DLP平台

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。

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！

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”。

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。

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：

1.Condensor部分：

[attachment=101178]

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。

2.Relens部分：

[attachment=101179]

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。

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）。

3.Lens Array部分——复眼部分：

[attachment=101180]

[attachment=101181]

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。

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。

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。

4.整体合成模拟：

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：

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。

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。

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。

以上这些，权且收笔，见着有心，不喜勿喷，欢迎指正和交流！

Daxingyang于2020年6月8日

canghaiyisu6

2020-06-09 11:53

你好，本人设计的DLP思路大致和你一致
分开：照明和投影镜头设计
照明模块分为3个：准直，中继系统，复眼计算
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
追迹光路效率及均匀性
不过想交流下，照明模块的效率如何做到更高的效率？

wmh1985	2020-06-09 13:47
可以整理成一个文档，下载吗？最好是能有评价指标！

dushunli	2020-06-10 00:30
照明光路设计！

tassy	2020-06-10 00:37
复眼的工作原理设计。

tomryo	2020-06-10 08:00
复眼的工作原理设计

谭健	2020-06-10 08:07
复眼的工作原理设计

songyang1169	2020-06-10 08:23
优秀文章，支持！

songyang1169	2020-06-10 08:36
谢谢分享

thorn12345	2020-06-10 08:45
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

stoutman	2020-06-10 08:55
整体合成模拟

紫纱恋雪	2020-06-10 09:55
文章优秀！！！

clgxy123	2020-06-10 10:10
很清晰的思路，谢谢

不懂想问	2020-06-10 10:14
用Pro/E或者SolidWorks搭建基础的3D模型，结构参数是自己算的吗

小貂儿053	2020-06-10 10:51
怎么都这么厉害，我也从事AR微投部分，但是领导不让我接触这部分光学，总是安排我打杂，也没时间自学，哎，都34了还是没有一技之长，投简历也没人要，找不到工作，也不敢裸辞，也不知道该怎么办了 1O2h9I$bk

121331768	2020-06-10 12:00
好文章！

mmttxiaoxiao	2020-06-10 12:26
思路清晰

daite1978	2020-06-10 14:33
照明光路设计！

te67f42	2020-06-10 15:00
个人经验呀，有没有课本光路设计啊？教材都是经过各种锻炼的，比较保险。

康豪	2020-06-10 16:01
最近有测试DLP光机，看了这个都想拆开来看看了

生人莫近	2020-06-10 16:20
LT不准确?哪方面会不准确?

fzzm	2020-06-10 16:49
DLP设计

wmh1985	2020-06-10 17:12
楼主辛苦了！最好是可以设计文件，大家可以交流！

liu.wade	2020-06-10 19:38
复眼的工作原理

星空38	2020-06-10 22:01
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

sha111	2020-06-10 22:45
牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛

逍遥侯	2020-06-12 11:40
好东西，感谢大佬分享

小光学光学	2020-06-12 14:29
学习了，感谢感谢

k0184990	2020-06-15 14:01
精闢的解說整理, 如方便, 希望明確把一些相關參數實例作為輔助解說, 更易理解~

wtyssg	2020-06-16 15:13
GANXIEFENXIANG n9]IBIthe

woshiyiyun	2020-06-17 10:47
楼主好人，学习了。多谢

风帆	2020-06-22 09:13
好文章，受益匪浅。

吴甜甜	2020-06-22 20:45
多谢分享

sihan0908	2020-06-24 09:41
不错，值得学习

jccqqqqq	2020-06-24 11:13
深圳的微投被你转了个遍啊

fengke1989

2020-06-29 10:04

小貂儿053:怎么都这么厉害，我也从事AR微投部分，但是领导不让我接触这部分光学，总是安排我打杂，也没时间自学，哎，都34了还是没有一技之长，投简历也没人要，找不到工作，也不敢裸辞，也不知道该怎么办了 PkTfJQP8
(2020-06-10 10:51) W]_g4,T>

我现在做的车载光学，现在有家本地的做AR眼镜的，想去试试，不知道现在AR眼镜用的光学方案是哪种？我看目前曲面反射镜是一种，全息光栅是一种，光波导是一种。

daxingyang	2020-07-03 13:46
jccqqqqq:深圳的微投被你转了个遍啊[表情] (2020-06-24 11:13) zTY;8r+ Y5Z!og 不多不多，只是熟悉他们而已 !n<o)DsZR 老兄这么熟悉，看来是个资深“玩家”啊

lzj421223	2020-08-08 17:45
谢谢分享！！！

a3768170	2020-08-25 15:53
谢谢分享感谢分享

a3768170	2020-08-25 16:00
学习一下

besk	2020-08-26 09:38
楼主还在做DLP微投影设计吗？我又需求。

sunyqciom	2020-08-26 23:17
好东西，谢谢分享，

wlopt

2020-08-27 09:56

复眼透镜的基本原理我是这样理解的：从光束整形的角度来讲，匀化有两种基本的原理一种是衍射，一种是成像，衍射就是一组复眼的每个单元在远场的傅里叶变换，这种其实是一组复眼；另一种是两组复眼，第二个复眼通过成像把第一个复眼成像在DMD，并且DMD上的光强为第一个复眼每个单元的叠加。而LZ的这种匀化属于第二种，由于是基于成像，所以他的边界做好了的话会相对于第一种锐利的多，并且均匀性也会很不错。这种是成像匀化的变种，它将两组复眼结合在了一起，这样的复眼结构也可以有这样一种理解，就是第一个复眼将平行光汇聚在它的焦平面上，这只是对于轴上平行光线来讲，对于轴外的平行光线，第二组复眼起到了场镜的作用，也就是压缩主光线的角度，使得后面的relen尺寸尽量的小，所以从这个角度来讲，平行光汇聚不一定汇聚到第二组复眼上，不过照在第二个复眼上可以减小整体复眼的尺寸，所以在设计复眼的时候对复眼的输入角度最好是做简单的计算，比如两组复眼一旦确定，那么它允许的最大合理角度也就定下来了，明白以上原理以后，复眼也是有很多种设计形式，不拘泥于传统才可能有创新，以上是自己的一点见解，希望帮助大家很好的理解这些细节

阿布2147	2020-08-30 10:29
真的是良心分享

herrok	2020-09-28 13:49
高手在民间

zycxjl	2020-10-18 16:34
进来看看。

chiquanhaod	2020-10-20 13:54
你好，DMD在tracepro里面，怎么进行模拟？单单看成一个大反射镜吗？

18792626163	2020-10-25 11:14
想找电资料啊啊啊

xucareer	2020-11-13 09:54
优秀文章

激光伤眼	2021-04-13 09:49
希望能有再进一步细致的讲解

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