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变焦投影镜头优化

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  • TA的每日心情
    开心
    2023-12-16 18:22
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    发表于 2022-12-29 00:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 海绵宝宝 于 2022-12-29 00:14 编辑

    变焦镜头设计的大体思路:
    ①根据已知信息搭建出初始结构并定义镜头规格。由于信息的缺失,没有的指标可以按照行业的一般标准自定义(此帖只是练习,因而可以自定义);
    ②在初始结构的基础上进行定焦镜头的优化。优化过程中先尽可能删减掉作用不大的透镜,然后再逐步增加透镜提升像质;
    ③变焦镜头优化。变焦镜头中最不好划分的是移动的组元,此处采用最原始的方式,将可能的组元都设定为移动组。在优化过程中,将不同变焦比模组中变化比较小的间隔固定下来,逐渐减少移动组元,最终将移动组元的个数限制在2~3个。
    以上思路并不是标准的设计流程,仅做参考。

    ①初始结构搭建以及规格定义
    初始结构来自于该贴:
    http://www.optzmx.com/thread-20432-1-1.html
    根据图片内容,可以计算出相应的一些指标:
    根据zemax镜头参数的净孔径参数可知,投影画面径向高度为1106.2mmDMD侧径向高度为7.9mm,不考虑畸变,整个系统的放大倍率为1106.2/7.9=140
    DLP4710 DMD的尺寸为10.368mm*5.832mmOFFSET=100%的时候,成像圆半径为7.8mm,图片中DMD侧径向高度为7.9mm,可看出该投影系统所使用的的DMD正是DLP4710,并且是100%OFFSET
    放大倍率是140,投影画面长边为10.368mm*140=1451.5mm,此时投影距离为2215mm,投射比TR=2215/1451.5=1.526。变焦比为1.5,可以假定投射比的变化范围为TR1.0~TR1.5
    系统总长为140.9mm,假定F1.7,相对照度>70%,畸变<1%。镜片数量参考原设计为12片,包含3片非球面透镜。
    从多重结构的设定来看,该镜头为同步变焦,即在变焦的过程中,画面清晰度保持不变,相比先变焦再对焦的投影方式,此处设计难度更高。
    综上,指标初步定义整理如下:
    DMD
    DLP4710
    芯片成像圆半径/mm
    7.9
    TR
    1.0~1.5(假定)
    F#
    1.7
    畸变
    1%(假定)
    相对照度
    70%(假定)
    系统总长/mm
    140
    透镜数量
    12(假定)
    DMD侧远心度
    1°(假定)
    投影距离范围
    1.5m~5m(假定)
    ②定焦镜头优化
    设计时先按照投影距离1.5mTR1.0的定焦镜头进行初始结构的优化。
    设计时,为提升优化效率,依然是使用物高作为视场,将DMD侧的7.9mm作为物高,投影面的径向高度作为像高。F#1.7修改为物方空间NA0.294
    利用帖中参数搭建出来的初始结构如图1所示,初级结构中缺少非球面系数,因此某些光线不能正常追迹。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps1.jpg
    1 初始架建模【结构1
    保持后焦、镜头长度不变,控制透镜的边缘以及中心不干涉,设定好以上指标,开始优化。
    首先将中间的偶次非球面透镜球面化,并非是该非球面透镜没有存在的必要,只是为了减少变量、提高优化效率。为何不把另外两个非球面透镜也球面化呢?经验上来看,另外的两个非球面透镜为是很有存在的必要的。
    由图1可以看到,第一步是需要使得光线可以正常追迹,主要是两个方面内容:
    ①对于曲率半径比较大的表面,手动将R值改大;
    ②圆锥系数归零;
    ③将所有透镜换成同一个玻璃库的材质,此处统一使用CDGM
    修改后的镜头架构如图2所示。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps2.jpg
    2 手动修改镜头架构使光线可以顺利追迹【结构2
    将所有透镜的厚度固定,只把曲率半径、空气间隔以及非球面的圆锥系数设定为变量。简单优化后镜头的LAYOUT如图3所示。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps3.jpg
    3 中部非球面透镜球面化后初步优化【结构3
    观察到图中的两个双胶合透镜均存在一个比较平坦的弱光焦度单透镜,将其删除后进行局部优化和锤形优化,获得图4结构。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps4.jpg
    4 删除弱光焦度单透镜后的镜头架构【结构4
    4中镜头左一和左二两个单透镜靠的十分接近(图4中红框标识),有胶合的趋势。但左一为非球面透镜,并且左一和左二均为正透镜,胶合并不合适。因此考虑将两个透镜合并成一个非球面单透镜。因此获得图5的镜头结构。左二与三胶合透镜靠得也很近,为何不考虑胶合呢?这是出于工艺的考虑,四胶合透镜量产成本高,高低温状态下可靠性低,应避免使用,此处是希望在优化过程中,左二透镜可以远离三胶合透镜,保持分离状态,因此不胶合。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps5.jpg
    5 左一非球面透镜与左二弯月单正透镜合并【结构5
    1500mm投影距离处,MTF查看0.64lp/mm
    如图6所示,MTF已达到较佳水平。另外畸变1.2%,相对照度65%。可以开始考虑变焦架构的优化了。
    另外一个相似的架构可见以下链接:
    http://www.optzmx.com/thread-10601-1-1.html
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps6.jpg
    6 5结构的几何MTF
    ③变焦镜头优化
    变焦镜头在变焦的过程中可以变化的空气间隔如图7红色箭头标识。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps7.jpg
    7 变焦镜头初始结构【结构6
    移动组元的划分比较傻瓜式的一种方式是,将单独的透镜都作为运动组件。虽然这在实际的制造中是很难实现的,但这里如此操作的目的其实是想找出最为有用的运动间隔,优化过程中变化不大的间隙就将其固定下来,最终的运动组元保持在2~3个,这将有利于制造和组装。
    为提升像质,顺应软件优化的趋势,将左二的单透镜与三胶合透镜胶合。优化,得到图8镜头结构图。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps8.jpg
    8 引入四胶合透镜的变焦镜头【结构7
    可以看到四胶合透镜左侧透镜的胶合面比较平缓,右侧的胶合透镜光焦度很弱,因此将左右两侧的单透镜分裂出去。同时看到右三和右二单透镜的边缘存在空气间隔,不妨将其纳入到移动间隔中优化。如此,获得图9的镜头架构。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps9.jpg
    9 四胶合透镜分裂为双胶合透镜并增加移动组【结构8
    四胶合透镜分裂后,左二透镜仍有胶合趋势,因此将左二透镜胶合,形成“正--正”三胶合透镜。如图10所示。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps10.jpg
    10 后组保持三胶合透镜【结构9
    10的镜头架构并没有获得好的像质,需要做进一步的复杂化,可以尝试引入非球面透镜。个人习惯是非球面的位置大致均匀分布,这并不一定是最好的策略,却是一个通用易行并且大概率可以获得较好效果的策略。
    此处将光阑右侧的球面透镜非球面化,如图11红色框所示。光阑左侧的球面透镜实际上也是可以非球面化的,只是其光焦度太弱,后面会有一定的概率被简化掉。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps11.jpg
    11 镜头中部球面透镜非球面化【结构10
    12就是将光阑左侧的弱光焦度透镜简化后的效果。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps12.jpg
    12 删除光阑左侧的弱光焦度透镜【结构11
    既然镜头的像质还比较差,为何还要删减透镜,而不是保留下来继续优化?
    删减透镜的好处主要有两个:
    一个是减少变量,提升优化速度;
    另一个,也是最重要的原因,是可以减少很多局部极小值,找到整个镜头中最为核心的骨架。
    观察图12,右三透镜材质为H-ZLAF55D(1.8348/42.727),光焦度较高,且为双凸轮廓,可以考虑将其分裂优化,可以获得图13结构。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps13.jpg
    13 分裂中部双凸正透镜【结构12-1
    尝试调整非球面表面的位置。
    14和图15中非球面的位置不断往前组移动。图13、图14以及图15分别代表了非球面位于不同位置的效果比较,较佳的为图15的架构。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps14.jpg
    14 右三球面透镜非球面化【结构12-2
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps15.jpg
    15右四球面透镜非球面化【结构12-3
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps16.jpg
    16结构12-3透镜材质参数
    15的结构中,前组的正负透镜优化过程中有胶合的趋势,故将其胶合,可移动的空气间隔由原来的6个减小为5个。
    15开始需要考虑的问题:
    现有困境及相应对策:
    ①非球面透镜材质的选择。
    靠近棱镜的透镜一般会考虑使用玻璃材质,这样在高温的状态下,镜头不易跑焦,热优化相对要容易些。镜头前组(右一)的非球面透镜考虑性价比,则可能采用塑料材质。在这样的限制下,非球面材质比较有限,在兼顾折射率和阿贝数的前提下,并不能将非球面的优势完全发挥出来。常用的方式是引入新的球面透镜来承担光焦度以及在折射率和阿贝数方面做补偿,这样可以大大降低非球面透镜的材质要求,使其只关注像差的校正。
    ②色差校正欠佳。
    17是结构12-3TR1.0状态下的垂轴色差,可以看到蓝光与红光之间的色差很是严重。需要重点校正。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps17.jpg
    17 结构12-3TR1.0状态下的垂轴色差
    结合12-3的结构,可以提出以下方案:
    A、在移动组中引入胶合透镜,增强色差校正的能力;
    B、前组的胶合透镜胶合面曲率不是很大,为增加像差校正变量,考虑分裂胶合透镜。从经验上看,前组的胶合透镜作用相对有限。
    ③调焦组过多,不易量产。
    12-3的结构上有5个可变的空气间隔,组装公差以及调焦的公差会很大,不易量产。需要想办法将其做到三组元或者两组元才具备较好的量产性。这将需要更多的变量资源,非球面是一个好的方向,策略上优先考虑调整非球面的位置以达到更好的效果,实在不行再新增非球面。增加透镜或者非球面表面都是可遇不可求的,需要出现合适的架构才可以实施,增加球面透镜一般是指透镜分裂,高折射率的双凸正透镜时透镜分裂的首要对象,镜头架构12-3中这样的透镜(右四)旁边已经存在一个正光焦度透镜(右五)了,已经没有再次增加球面透镜的必要了。非球面透镜的位置是一路优化而来的较佳状态,已经不太可能存在更好的状态,待架构优化变得不一样的时候,才有可能产生更好的组合。
    除了通过增加透镜和非球面的方式,增加优化资源的方式还有引入渐晕、将光学畸变的控制调整为TV畸变的控制、放宽镜头长度和口径的限制、使用性能更佳但成本更为昂贵的材质、结构上尽可能缩小镜头后焦、对焦的最近距离由目前的1.5m放宽至2mm
    当然,并不排除镜头结构陷入到局部极小值的可能。

    将系统的非球面透镜简化为2个,位于光阑附近的移动组采用胶合透镜,镜头前端的胶合透镜分裂,引入渐晕,优化可得图18的结构13
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps18.jpg
    18 架构重新调整后的结构13
    在结构13的基础上的优化思路是:
    ①将现有系统中的某一个球面透镜非球面化;
    ②增加球面透镜;
    ③减少移动组。
    非球面的透镜是通过逐面优化测试比较效果得到,最终非球面透镜定义在右二透镜。所增加透镜位于光阑右侧,从结构13双胶合透镜的正透镜分裂而来。
    优化后获得图19对应架构。MTF、垂轴色差、畸变、相对照度等指标如图20所示。
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps19.jpg
    19 结构14
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps20.jpg
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps21.jpg
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps22.jpg
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml90564/wps23.jpg
    20 结构14性能截图
    鉴于时间和工作量的关系,该变焦投影镜头的设计到此为止,现把图19对应的结构14放置文末,有兴趣的小伙伴可以继续往下优化。

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  • TA的每日心情

    2024-6-13 09:36
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    [LV.Master]伴坛终老

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    发表于 2022-12-29 08:52 | 显示全部楼层
    本帖最后由 萌新小透明 于 2022-12-29 08:55 编辑

    请问投影镜头的高低温,一般要求范围是多少?有关四胶合透镜的工艺和存在的问题,请问可以展开细说吗?非常感谢
    该会员没有填写今日想说内容.
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  • TA的每日心情
    开心
    2023-12-16 18:22
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     楼主| 发表于 2022-12-29 13:13 | 显示全部楼层
    萌新小透明 发表于 2022-12-29 08:52
    请问投影镜头的高低温,一般要求范围是多少?有关四胶合透镜的工艺和存在的问题,请问可以展开细说吗?非常 ...

    可能要看具体应用场合,一般低温-10℃是有必要的,高温至少考虑到65℃,当然范围如果可以更宽,那更好。
    三胶合已经很容易开胶了,四胶合不建议用,一般是与材质热膨胀系数、胶水种类、胶合曲率和胶合口径有关,工艺的问题透镜供应商会比较清楚,可以咨询魏向阳老师。
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2023-11-9 19:35
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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2022-12-29 20:05 | 显示全部楼层
    您好,看了一下您的文件,发现两个多重结构的投影距离都是1.5m,没有5m的距离,所以这边TR的变化仅仅是体现在投影画面的尺寸上吗,而投影距离固定在1.5m?
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  • TA的每日心情
    开心
    2023-12-16 18:22
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     楼主| 发表于 2022-12-30 22:22 | 显示全部楼层
    拙木鸟 发表于 2022-12-29 20:05
    您好,看了一下您的文件,发现两个多重结构的投影距离都是1.5m,没有5m的距离,所以这边TR的变化仅仅是体现 ...

    是的,这个文档里面确实没有针对不同的投影距离做优化。这是一个同步变焦投影镜头,也就是相同的投影距离处通过调整不同透镜组之间的间隔,实现不同的幅面。如果需要具备实际意义,那么还需要增加一个对焦组,使得系统在不同的投影距离处可以对焦清晰。这个操作并不难实现,您可以尝试优化一下。
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  • TA的每日心情
    擦汗
    2023-9-21 08:32
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    [LV.7]常住居民III

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    发表于 2023-1-12 12:34 | 显示全部楼层
    您好,这个镜头架构适合更小尺寸的DMD吗?谢谢。
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  • TA的每日心情
    开心
    2023-12-16 18:22
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     楼主| 发表于 2023-1-12 13:55 | 显示全部楼层
    boague 发表于 2023-1-12 12:34
    您好,这个镜头架构适合更小尺寸的DMD吗?谢谢。

    适合的。。。
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    慵懒
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    发表于 2023-2-3 16:20 | 显示全部楼层
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  • TA的每日心情
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    发表于 2023-2-10 17:33 | 显示全部楼层
    本帖最后由 cc1234 于 2023-2-10 18:24 编辑

    版主您好,因为我没设计过投影类镜头,最近一直刷到投影镜头帖子,也拜读了您的帖子后有俩问题请教下:
    1、100%OFFSET是指投影画面的底边与投影仪镜头处于同一水平面的意思吧?那相当于一般镜头画面幅宽是沿着光轴对称的,现在整个幅宽都移动到光轴一侧了,请问这是如何实现的呢?设计时视角增大,还是装配时让镜头和机械外壳有一定夹角?
    2、投影仪有图像显示器件那种,如果图像器件无法自发光,那照射图像器件的光源一般是选择那种呢?如果光源非均匀类,用高斯分布等,那投影类的光学设计师还得顺带设计匀光、准直那种镜头,把光做变换引导入投影镜头吗?
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  • TA的每日心情
    开心
    2023-12-16 18:22
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     楼主| 发表于 2023-2-10 19:51 | 显示全部楼层
    cc1234 发表于 2023-2-10 17:33
    版主您好,因为我没设计过投影类镜头,最近一直刷到投影镜头帖子,也拜读了您的帖子后有俩问题请教下:
    1 ...

    1、100% OFFSET是指投影画面的底边与投影镜头处于同一水平面的意思。投影镜头的FOV还是一个圆形区域,只是DMD显示器件只用到了有效区域内的一个矩形。0% OFFSET时,这个矩形区域的中心是和成像圆的中心重合的。如果将DMD往下移动,那么矩形投影区域就会上移,造成一种成像区域与镜头轴线不对称的假象。可以参考下图。
    2、投影仪的显示器件可以是DMD/LCOS/LCD,这三种都是无源器件,本身不发光。都需要照明提供一个均匀的矩形光斑照射。

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