锥光镜头设计

liuwei01

海绵宝宝 发表于 2021-7-7 18:32
后面应该有机会，最近有点忙

期待大神的分享

songshaoman

请问这类系统的传函为什么不是整体集中，比如所有视场在200lp/mm都提升到0.3以上?小视场可能会下降但也在0.4以上。总体来说就是各视场传函更均衡，而不是比较分散，一直不是很理解这样处理的原理。

海绵宝宝

songshaoman 发表于 2021-7-15 09:21
请问这类系统的传函为什么不是整体集中，比如所有视场在200lp/mm都提升到0.3以上?小视场可能会下降但也在0. ...

效果上来说，各视场的传函整体集中确实是比较好的，但却不容易达到。
如果非要达到整体集中的效果，可能传函保持在0.2~0.3的区间。
中心视场的损失和边缘视场的增益从来都不是等价交换。

uuuhjh2005

学习到了很多，从楼主的文中，学到了透镜形状和相差的关系，以及如何平衡相差，给楼主点赞啦

海绵宝宝

海绵宝宝 发表于 2021-7-7 18:32
后面应该有机会，最近有点忙

这几天比较了用在DLP上的斜像镜头（沙姆镜头）与垂直投影镜头的异同，大致如下：
A、沙姆镜头视场需要设定为XY矩形视场，而无法使用Y径向视场，这就意味着默认评价函数中追迹光线的数量相比旋转对称的Y视场要翻倍。
光线数量的增加主要是会拖慢优化速度，这是其次，更重要的是矩形视场优化起来局部极小值会更多（经验总结），更不容易找到好的架构，镜头优化也更容易陷入停滞。需要消耗设计者更多的时间。
B、DMD侧做成远心（各视场点出射主光线平行）相当不易。
由于投影系统是出光系统，照明一般会做成远心光束打在DMD上，这就意味着DMD处的出射光锥是远心的，为了提高亮度，镜头也需要设计成匹配的远心。但是沙姆镜头从原理上来说，本身是非远心的。如果非要做成远心，就需要消耗大量的资源用于像差的校正。
C、如果从垂直投影镜头的角度来理解沙姆镜头，大致就是需要把垂直投影镜头的后焦景深做大。
沙姆镜头的物面和像面虽然是倾斜的，但是如果我们把物面或者像面整一个面拆分成一个个独立的点，比如其中一个点P，那么就可以构建出穿过P点垂直于光轴的表面作为物面或者像面。斜像镜头，单纯就镜头部分而言，也是旋转对称的，那么可以理解为，针对某一个视场点，沙姆镜头（包含物像面）是旋转对称的。那么整个物面或像面的点拼接起来之后，其实就是要求：镜头不动，物面在某一比较大的范围内移动，像面处都可以清晰成像。这个要求看上去没有什么特别的，但是背后隐含的，成像面是平面这一条件其实就意味着物在移动的时候，像的位置和放大倍数实际上是有严格要求的，所以与我们平时意义的对焦难度相比其实要大。平时对焦会发现不同投影距离的畸变往往是不同的，但是沙姆镜头在同一个投影位置（相当于垂直投影镜头的一个对焦范围）是需要各视场点必须在同一个平面上，这个要求就有点苛刻。所以沙姆镜头在优化的时候，会发现一个比较特别的现象。当投影距离，投影倾斜角度都不变的时候，仅仅是缩小投影画面（当然，在DMD型号不变的情况下，投影画面的线对数是需要增加的），也需要调整DMD的倾斜角度，否则像质会有明显的下降，整个画面像质兼容的难度可见一斑。

周刘

"1、像面处不同视场主光线斜率尽量单调且为负或者接近远心。

目前镜头在像面处的各视场主光线斜率情况是很复杂的。主光线斜率从轴上的零度逐渐过渡到到中等视场的负值，再从负值回到零度，又从零度增加到正值。

这种主光线斜率正负变化的出现，说明了系统视场之大，像差校正之丧心病狂。系统必须采用类似于离焦的方式来满足目前定焦的需求。
一般非远心镜头在像方主光线的斜率都是由轴上的零度逐渐过渡到视场边缘的负值，斜率随视场变化的曲线是单调的。视场角为±50°的时候应该是近似于这种单调状态的。

这种单调的负斜率有以下两个好处：

A、在像高一定的时候，像方侧透镜的光线高度可以不超过像高，光线高度低意味着与孔径密切相关的球差、彗差、像散都可以控制在比较小的量级。与像方远心的系统相比，后者的光线高度明显大于前者，因此远心系统的像差校正更为困难。
B、边缘的光束锥角明显可以小于轴上。我们假定光束锥角定义为在子午面上在像面处光束的上下边缘光线夹角的正弦值。边缘视场光束锥角小和负斜率绝对值大这两个结合起来，就可以使得不同视场的路径有差异，不同位置处的光束口径、光线角度有差异，这也是增加像差校正自由度的一种方式。长袖善舞，自由度的增加明显是有利于不同视场像差的单独校正。
回到锥光镜头，目前镜头镜片数量是比较少的，主要原因是各种变量和自由度的匹配几乎接近极限。对于单个物距而言固然是好，但对于需要通过对焦来适应不同物距的指标要求来说或许是致命的打击。
从图23可以看出，轴上视场、中等视场和大视场的的光束口径和路径相差甚远，这意味着不同视场的主要像差矛盾、像差匹配的方式、像差的量级都是有明显差异的，这种差异的过大就意味着几乎没有办法通过单组群移动来实现不同物距的清晰对焦。在对焦这个问题上，这个镜头已经黔驴技穷。"
我咋感觉斜率应该是正的了，难道是我理解错误了

海绵宝宝

周刘 发表于 2022-1-20 20:22
"1、像面处不同视场主光线斜率尽量单调且为负或者接近远心。

目前镜头在像面处的各视场主光线斜率情况是 ...

这里是我没有描述清楚，引起了误解。
首先，主光线斜率的正负其实是参考中学时直线的正负，图23中，像面处边缘视场的主光线经过第一和第三象限，故斜率为正。
但实际上，我忽略了一个问题，如果将边缘视场的光束沿着光轴镜像过去，斜率的正就会变成负。
这里想要表达的是，边缘视场主光线逃离最后一个透镜时，光线应当是朝着远离光轴的方向偏折才是比较合理的状态，或者说是以发散的形式。不知这样表述是否可理解？

周刘

海绵宝宝 发表于 2022-1-20 23:52
这里是我没有描述清楚，引起了误解。
首先，主光线斜率的正负其实是参考中学时直线的正负，图23中，像面 ...

明白了，谢谢详细的解析。

SZU小徐

请问有没有更好的办法平衡各个视场的MTF尽量高且一致？

海绵宝宝

SZU小徐 发表于 2022-2-12 22:18
请问有没有更好的办法平衡各个视场的MTF尽量高且一致？

MTF高并且一致，这是两个非常高的要求，本质上来说，如果不能通过调整镜头架构来完成，只能是增加变量资源了，要么使用更多的球面透镜，要么使用非球面透镜。