[已解决]基于LED照明的LCoS投影系统的设计问题

suka

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

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光学小伽

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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suka

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。

小风

④设置的是复眼出射的角度你觉得有什么问题呢

光学小伽

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。

goontwin

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

suka

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

suka

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。

suka

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。

光学小伽

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。

zsj123456

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