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[求助] [已解决]基于LED照明的LCoS投影系统的设计问题

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  • TA的每日心情
    开心
    2024-3-27 16:06
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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2022-4-2 13:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
    最近在做LCoS投影系统的照明部分设计,大致分三块内容,简单拿出来跟大家分享一下另外也有一些细节的问题想请教各位,考虑到成像板块稍微有点门槛,所以就先发在这里了:
    照明系统这边主要就三块内容:1.准直系统设计;2.复眼设计;3.中继系统设计
    首先第一部分准直:
    准直部分主要是光源这边的准直设计,光源这边选用的是LED光源:
    前期做过类似的样机,准直部分做的比较差,准直后角度在±10°以上,最后demo出来效率比较低,整个旁瓣问题也比较严重,所以这次将角度优化的较小,但是与此同时准直后的光斑比较大,直接影响后面复眼尺寸以及中继系统的焦距
    准直系统如下:

    可以看到准直后的角度基本控制在5°以内了,最后的图是入射复眼前的一个光斑,这里引出了第一个问题:
    ①复眼口径按什么来取,之前一直是按光斑作为内切圆来做的,但是光斑的大小一般怎么定义边缘,是按边缘能量占中心能量的50%以上来定义吗?
    其次是复眼设计:
    复眼这边的设计方法网上有好多说明,我这里就不再具体推到展开了
    这边分享一个复眼建模的问题,最初我是在确定完参数之后直接在zemax非序列中建复眼的,然后导出stp,再放到LT中进行照明分析,但是发现导出来问题很大,所以后面就简单的再zemax中建立一个复眼子眼,把子眼导出来后放到三维软件中进行阵列,然后再去做照明仿真,这样回方便一些。

    复眼后面的平片是简单模拟了偏振转换器PCS,这里引出了第二和第三个问题:

    ②PCS器件本质上是堆叠的PBS,大家也应该知道目前PBS的镀膜大角度情况下的消光比很难做高,针对这个问题我们复眼的出光角度是不是应该设计的足够小一些,如果设计的太小还会带来其他什么问题吗?
    ③复眼和PCS相互作用的时候,会发现整个光斑相对于光轴有一个偏心,偏心的距离大概一个子眼口径的大小,这部分偏心是不是应该在后续的中继系统中考虑进去?
    最后中继部分设计:

    中继部分我问题还是蛮多的,因为前期计算出来整个中继系统焦距有50mm以上(主要考虑想将入射到PBS的角度缩小),整个中继系统尺寸就偏大了,当然也有一部分是因为前面准直光斑过大影响的。

    ④中继这部分设计我有一个问题,就是在考虑物像关系的时候对应复眼前表面和像面,如果从复眼后表面开始设置,将物面设在无穷远,入瞳则为复眼后表面的通光口径,那这视场应该怎么考虑,我看到有人设计时设置的是复眼出射的角度这应该是有问题的,我这边视场给的±5°是按照入射复眼前的角度来考虑的不太确定,所以想问一下这部分怎么考虑?
    整体结构:



    另外最后出来的照明均匀性还是差了些不知道问题出在哪里,子眼的数目已经足够多了...

    最佳答案
    2022-4-11 10:10
    1:准直光斑一般做得比较均匀。 光斑口径是根据你在中继部分设计的口径来取的,当然你也可以自定义口径,然后推导中继部分的口径。总的说就是考虑光学拓展量设计,然后根据计算得出一个参考口径。其实准直最重要的是口径和角度关系的取舍。
    2:复眼出射角度变小了,会造成更多的旁瓣。所以在角度和口径之间需要取舍,例如不产生旁瓣,准直光斑只能做大,角度才会做小,又或者把复眼的出射角度变大,
    3:中继部分的偏离是根据你实际的光斑来定,假如你经过PCS后,整体光斑偏离了光轴,那么中继要偏离。如果只是中心主光线偏离了,而整体光斑没有偏离,那么中继系统一般情况下也不需要偏离。

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  • TA的每日心情
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     楼主| 发表于 2022-4-11 08:39 | 显示全部楼层
    补充问题4,根据实际的物像关系在os中建模了一下,优化还没有做完。 但是这样的物像关系更好理解了。

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  • TA的每日心情
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    发表于 2022-4-11 09:52 | 显示全部楼层
    ④设置的是复眼出射的角度你觉得有什么问题呢
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  • TA的每日心情
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    发表于 2022-4-11 10:10 | 显示全部楼层    本楼为最佳答案   
    1:准直光斑一般做得比较均匀。 光斑口径是根据你在中继部分设计的口径来取的,当然你也可以自定义口径,然后推导中继部分的口径。总的说就是考虑光学拓展量设计,然后根据计算得出一个参考口径。其实准直最重要的是口径和角度关系的取舍。
    2:复眼出射角度变小了,会造成更多的旁瓣。所以在角度和口径之间需要取舍,例如不产生旁瓣,准直光斑只能做大,角度才会做小,又或者把复眼的出射角度变大,
    3:中继部分的偏离是根据你实际的光斑来定,假如你经过PCS后,整体光斑偏离了光轴,那么中继要偏离。如果只是中心主光线偏离了,而整体光斑没有偏离,那么中继系统一般情况下也不需要偏离。
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  • TA的每日心情

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    发表于 2022-4-11 10:39 | 显示全部楼层
    suka 发表于 2022-4-11 08:39
    补充问题4,根据实际的物像关系在os中建模了一下,优化还没有做完。 但是这样的物像关系更好理解了。

    这个模型,怎么物点对应一个像点啊,怎么跟传统的“物像共轭”的设计方式不一样啊
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     楼主| 发表于 2022-4-11 13:36 | 显示全部楼层
    goontwin 发表于 2022-4-11 10:39
    这个模型,怎么物点对应一个像点啊,怎么跟传统的“物像共轭”的设计方式不一样啊

    因为用了多重结构的关系可能没有太清楚,这样应该共轭关系比较明显了

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     楼主| 发表于 2022-4-11 13:39 | 显示全部楼层
    小风 发表于 2022-4-11 09:52
    ④设置的是复眼出射的角度你觉得有什么问题呢

    这个还是我之前没有理解清楚,以为如果是无穷远那只需要考虑0°视场的情况,现在想明白了:实际复眼也有NA,要考虑不同情况光线入射情况下的积分情况,谢谢。
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     楼主| 发表于 2022-4-11 13:55 | 显示全部楼层
    光学小伽 发表于 2022-4-11 10:10
    1:准直光斑一般做得比较均匀。 光斑口径是根据你在中继部分设计的口径来取的,当然你也可以自定义口径,然 ...

    准直光斑如何保证均匀性,我这个准直均匀性上还是差点意思 中间亮度有下降的趋势;因为初始模型实在zemax中模拟的,是不是需要放到照明软件中做进一步的优化调整。
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    2024-3-28 10:35
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    发表于 2022-4-11 14:38 | 显示全部楼层
    suka 发表于 2022-4-11 13:55
    准直光斑如何保证均匀性,我这个准直均匀性上还是差点意思 中间亮度有下降的趋势;因为初始模型实在zemax ...

    准直部分的均匀性复眼会弥补回来。你重点考虑的是取多少口径和角度。根据你的LOCS的F数反推口径和复眼出射角。
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  • TA的每日心情
    慵懒
    2024-3-28 18:28
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    发表于 2022-4-13 13:19 | 显示全部楼层
    1,我之前用角半径准直,但光斑大了一点。后来就看别人用光斑半径优化,光斑变小了一点,准直度也还可以。
    2,我感觉只要损失光能不是很大,复眼没必要包括整个光斑吧
    3,积分透镜的话要和复眼单元NA匹配,n*d/f=D/F,分别是复眼材料折射率,复眼单元口径,单个复眼焦距,像面口径,积分透镜焦距
    我自己很多也不懂,可以一起交流啊
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