光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...

忘不了情 · 发表于 2023-3-31 07:31:52

上一期，与大家分享了“DLP投影照明系统的设计”入手工作，芯片规格书中的重要信息梳理。
本期讲下匀光关键器件的设计原理与要点。因为我的项目都是智能家居微投，所以基本用的是复眼。本次分享就讲下复眼。
喜欢的朋友赶紧收藏+关注，也不要吝惜点赞。
<hr/>2、匀光关键器件的设计原理与要点

2.1 复眼透镜参数计算与工作原理描述：

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-1.jpg

图1

图2

复眼透初始结构参数有：有效孔径D&#39;，出射发散角β，复眼透镜的厚度（或者双排复眼的使用空气间隙），微透镜的长和宽（根据有效孔径可以与数量换算），微透镜的曲率半径、以及复眼透镜的材质。
如图1~2，复眼出射发散角为β，DMD高度为Hi,中继系统焦距为Fint
初始结构计算：
（1）tan(β)=Hi/(2*Fint)；得到复眼出射角度β与DMD尺寸和积分透镜焦距Fint的初始结构关系。
（2）tan(u)=D&#39;/(2*Fint)；得到DMD入射光数值孔径角u与复眼有效外径尺寸和积分透镜焦距Fint的初始结构关系。
确定β和D&#39;，然后再确定好复眼的厚度和材质（根据项目尺寸要求，作为已知项输入），可依据后一排的微透镜在前一微透镜的焦平面这一特性，：可以详细设计不同材质复眼的微透镜的曲率半径。然后再根据D&#39;和需求数量，确定微透镜的长和宽。
复眼透镜通常是成对使用的，如图1所示，是一体式复眼（双排），还有如图3所示的分离式复眼（单排*2），与中继透镜（或积分透镜或者聚光透镜都可以）一起在照明平面上提供均匀照明。

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-3.jpg

图3

2.2 单体和双体复眼的优缺点

单体式复眼的优点：前后排复眼一体，实际装配时，不存在前后排对准工艺，对准精度完全由模具的前后模精度来控制。缺点是加工工艺要求更高，价格也更贵很多供应商只能提供单排复眼。如图1所示的是单体复眼。
双排分离式复眼的优点：加工相对简单，成本相对较低。缺点是，装配工艺上要求前后排复眼对准精度非常高。不然容易产生缺色缺边现象。如图2所示的是双体复眼。
尤其是玻璃复眼，价格和实现更加困难。
一般用于投影照明的复眼透镜是成对的，第一个复眼阵列通常称为“物方阵列”，沿光轴方向的第二个复眼阵列称为“视场阵列”。
2.3 为什么投影照明复眼都要成对使用？

如果只单独使用“物方阵列”，如果想有好的照明光斑，那么要求入射光必须为准直度非常高的准直光。（准直度具体是多少，取决于项目对均匀度的要求）。这时，将中继透镜放在“物方阵列”微透镜阵列的焦平面上，可以实现均匀度很高的光斑，如图4。

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-4.jpg

图4

但是实际光源是有尺寸的，是个扩展光源，而准直透镜尺寸和焦距也是有限的，要想得到高的光效，根据光学扩展量守恒，准直出来后必然是有一定发散角的（主要受光机尺寸的限制，尺寸越大，准直光斑越大，发散角越小）。使得复眼出来的发散角远远大于中继透镜的理论设计视场需求，相当于是多出来的视场的光是杂散光。
有发散角的情况，效果如图5；

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-5.jpg

图5

所以需要第二排“视场阵列”组合使用，将第二排放在第一排的焦平面上，再用中继透镜汇聚成均匀光斑。这个第二排复眼透镜相当于是准直光发散角的“还原”作用，使得从第二排出来的发散角和入射准直光发散角接近一致，有点像光线可逆。如图6

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-6.jpg

图6

设计时可以按照入射光的发散角来设计中继，使来自光源的不同视场都能在照明平面上获得重叠的像，如图7，这个也为准直透镜的出射发散角设计规格提供了参考。

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-7.jpg

图7

所以在设计时，需要根据复眼的厚度或者双排复眼的间距以及选择的复眼材质来设计微透镜的焦距（或者微透镜的曲率半径），尺寸大小根据长宽方向的发散角来计算。
2.4 微透镜数量的选择经验值

（1）数量上的多少的权衡
理论上，肯定是微透镜数量越多，越均匀。
但是因为微透镜加工微透镜之间有工艺圆角，而工艺圆角是会产生杂散光的，所有数量多的话，杂散光也会变多，同时加工成本也会相应增加。
（2）数量上奇偶性的选择
使用奇数通道意味着中心通道总是在中心上，两边的通道被光学折叠到中心通道上。这就是空间均匀性的来源。偶数数量子透镜也会导致中心强度下降。
（3）数量的经验值
大约七个通道是实现数字投影仪照明平面的均匀辐照度所需的最小数量。类似地，11是最大值，但这些都不是严格的界限，具体问题具体分析。

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-8.jpg

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...-10.jpg

poney · 发表于 2023-3-31 07:32:46

以前有个设备还行，现在不知道咋样了

睿智奔腾小马 · 发表于 2023-3-31 07:33:35

感觉投影方面的经验没人看，后面都没动力写了。知乎基本都是看成像的多，也间接说明知乎的朋友没有几个真正懂行的

Aim_yuan · 发表于 2023-3-31 07:33:43

期待作者继续更新，对微投兴趣很大

工兵班长纬 · 发表于 2023-3-31 07:34:27

在做车载迎宾，但是没有照明经验，欲哭无泪[笑哭]，作者加油！

Deville · 发表于 2023-3-31 07:34:37

我也做过些投影项目，整体系统拆解后比较杂，没有实际项目的话都不好接触到其中的器件，相对来说知乎上的成像文章也就比较容易上手学习

老橡树1 · 发表于 2023-3-31 07:35:36

感觉就是因为写投影方面的少了，需要、想看的人一搜搜不到，希望作者能继续出完这个系列，不胜感激

大脚吴妈 · 发表于 2023-3-31 07:36:32

好的，投影是我的专长之一

发表于 2023-3-31 07:36:46

DMD单个像素出射光的发散角是多少？是不是就是照明系统的发散角？

王枫13898316786 · 发表于 2023-3-31 07:37:07

照明数值孔径角

光学设计：DLP投影照明系统的设计思路整理（2）---匀光 ...

相关帖子

快速回帖

关于楼主