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投影機光機系統的建立(Zemax)

本節將以 Zemax 軟體來初始此光機系統的各個參數,在使用 Zemax 軟體中,一個初始系統包括基本數據、光學表面數目、初始材 質選定與系統孔徑須先行提供,最終的透鏡參數、厚度、間距、曲率 等,將藉由優化的功能來決定,至於光機系統的照度均勻度與效率需 以 ASAP 模擬之。當我們知道了物(積分柱出口場)及像(數位微型 反射鏡元件)的尺寸特性,我們就可以開始利用Zemax 設計此照明 系統。

使用Zemax 設計時,也應加入一些條件限制:

„ 出瞳位置:與成像系統相搭配需要。成像系統(投影鏡頭)設計 時,通常是以數位微型反射鏡元件當作物,螢幕當作像來設計,

而成像系統的入瞳位置通常位在投影鏡頭鏡筒中。當照明系統與 成像相搭配時,應將照明系統之出瞳至於成像系統之入瞳位置才 可以將光盡量耦合入成像系統中。同理,照明系統支出同大小也 應考慮成像系統入瞳之大小,設定一限制。

„ 總長:為了不要設計出太巨大的投影系統,照明系統之總長當然 要限制在議定長度內。這裡設定明系統之總長為150 mm。

„ 焦數:就如同之前所說的,需要設定照明在數位微型反射鏡元件 上之光錐焦點。這可以設定系統之焦數或角度來達到此一目的。

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„ 各片玻璃之中心及邊緣厚度控制:為了要達到目前光學工藝可製 作的極限,太厚或太薄之透鏡將不納入考慮。

在做照明系統之設計時,對照明系統的部分光學特性要做仔細思 考。首先,此照明系統是以積分柱的出口端當作物,而數位微型反射 鏡元件當作像來設計的。其孔俓光閥對象空間成像,則決定了出瞳的 位置之大小。

照明系統中應至少包含二種功能:

(1)聚光透鏡(Condenser):將積分柱出口端的發散光,聚成收斂光照 射數位微型反射鏡元件。

(2)接續光透鏡(Relay lens):將積分柱出口端出來的光,接續至數位 微型反射鏡元件的位置,並能經數位微型反射後,耦合進入成像系統。

要有反射積鏡式,非遠心式及場鏡式架構中選擇一種架構。非遠心式

(Non-telecentric)就是出瞳並不位在無線遠的位置,也就是像空間 的主光線(chief ray)並不是平行於光軸的,所以必須要浪費照射在 數位微形反射鏡元件上的光,成一收斂光錐照射,也就是出瞳大小會 比照明系統中的孔徑光闌束的小,所以成像系統之入瞳也應較小。

由於要將尺寸縮的很小,所以在這名系統中及成像系統中的透鏡可能 會互相干涉。通常只要在不影響大部分光通過的情況下,將照明系統 的透鏡稍微修剪即可。

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此系統總計有6個元件,包含了12個光學表面,將系統初始參數 以Zemax來建構,列表如下:

除了使用一般的Zemax 優化指令之外,並利用該軟體提供的巨集

指令如〝raytrace〞,〝field〞,〝pupil〞,〝optreturn〞等匯成巨集,

直接將各種光線像差(球面、彗星、歪曲像差、像散、色像差等)變成 可以優化的項目,加強優化的能力。將初始參數做優化後可得結果列 表如下:

表 4-4 光機系統中的各個零件尺寸

FACTOR DMD TYPE X1-0.55" XGA X1-0.62" 720P X1-0.65"WXGA

PIXELS 1024x768 1280x720 1280x768

PIXELS SIZE 10.8um 10.8um 10.8um

DMD SIZE 11.06mmX8.29mm 13.82mmX7.78mm 13.82mmX8.29mm

LAMP TYPE OSRAM E20.9 280W OSRAM E20.9 280W OSRAM E20.9 280W

W1xW2xL1 ROD SIZE 5.42x3.72x21 6.35x3.55x21 6.37x3.8x25

D1 CONDENSOR 1 SIZE 15.4mm 15.4mm 15.2mm

R1 CONDENSOR 1 INPUT CURVATURE 29.25mm 29.25mm 26.46mm

R2 CONDENSOR 1 OUTPUT CURVATURE 11.01mm 11.01mm 9.7mm

l1 ROD TO CONDENSOR 1 3.03mm 3.03mm 2.77mm

D2 CONDENSOR 2 SIZE 27mm 27mm 17.4mm

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R3 CONDENSOR 2 INPUT CURVATURE 52.40mm 52.40mm 44.36mm

R4 CONDENSOR 2 OUTPUT CURVATURE 31.63mm 31.63mm 20.36mm

l2 CONDENSOR 1 TO CONDENSOR 2 18.07mm 18.07mm 10.31mm

W3xW4 MIRROR SIZE 20mmX28.5mm 20mmX28.5mm 20.6mmX32.6mm

D3 RELAY SIZE 30.3mm 30.3mm 33.3mm

R5 RELAY INPUT CURVATURE 27.24mm 27.24mm 27.5mm

R6 RELAY OUTPUT CURVATURE 25.69mm 25.69mm 27.93mm

Z DMD POSITION 0 -1 0

ASAP SIMULATION ROD TO SCREEN ANSI 56.45% 53.41% 57.21%

ASAP SIMULATION UNIFORMITY 92.5% 81.4% 84.2%