基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计(2)

接上一篇《基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计(1)》,欢迎阅读。


2.5.改进结构

该镜头焦距短,而且要求很长的后截距,另外,对于投影镜头在反向光路设计时,应尽量使光学系统的出瞳位置接近投影机光源的出射窗位置,这些特性都使这个结构具有非对称性。从图2看出镜头光阑后面的结构由4片透镜组成,为了满足长的后截距和一定的出瞳位置,它们的结构非常紧凑,这便加大了后期加工装配的难度,精确度也很难保证,所以要简化光阑后面的结构。而系统光阑之前的结构同样过于复杂,在保证总的光焦度变化不大的情况下,去掉了2个镜片。最后,采用ZEMAX软件的HammerOptimization功能自动对光学系统进行合理的玻璃替换。在使用HammerOptimization之前,首先把各玻璃面的GlassSolveStype设定为Substitute,另外,为了避免自动选用价格昂贵且很少使用的玻璃,在GlassCatalog菜单中对选用玻璃库中的这些玻璃设定为ExcludeSubstitute,同时保存玻璃库。


2.6.最终优化结果

交替使用Optimization功能和HammerOptimization功能对系统不断地优化,最终得到了由10片镜片组成的结构,镜片均为价格低且经常使用的材料。其半视场角为40°,相对孔径约为1/2.1,有效焦距约为12.7mm,等效后截距约为37mm,像高为10.19mm×2=20.38mm,与芯片尺寸(20.32mm)更加匹配。该结构的光学传递特性和像差如图5~图7所示。


图5.结构简化后的MTF曲线 Fig.5 MTFofsimplifiedlens


结构简化后的MTF曲线与简化前相比,很明显稍差了一些,但是它足以满足实际的应用要求,这是因为,如果要使投影镜头的分辨率与芯片的分辨率更好地匹配,那么就必须满足[5]:


芯片单像素尺寸=1/(2×镜头的分辨率)


本文采用的芯片是2.03cm的单片DLP,它的单像素尺寸为14μm,所以镜头的分辨率必须达到35lp/mm。从图7可以看出,该系统所有视场的极限分辨率均远大于35lp/mm。在35lp/mm处,0.7视场以内的MTF值均大于0.35,在18lp/mm附近,镜头的大部分视场的MTF值大于0.7。可见该简化之后的镜头依然有较好的成像质量,其MTF指标完全满足实际应用的要求。镜头的最大畸变量的绝对值小于3%,最大场曲小于0.2mm,如图6所示。图7为系统的整体像差图,从图中可以看出,各个视场的像差都得到了很好的控制。


图6.场曲和畸变Fig.6 Fieldcurvatureanddistortion


图7.光线像差Fig.7 Aberrationofray


3.结束语

进行短焦数字投影镜头设计时,系统光阑之后的结构简单化,不仅有利于满足长的工作距离和一定的出瞳位置,同时也有利于降低加工难度。一个好的镜头不仅要具有很好的成像质量,同时也要具有简单的结构、低廉的生产成本和简易的加工工艺。本文通过ZEMAX光学软件对初始镜头进行优化设计,经过结构简化和玻璃替换,最终设计出了一款成像质量高、结构简单、生产成本低、加工难度低的短焦数字投影镜头。它的全视场角达到了80°,在1m的投射距离处可以投射出160.02cm的画面,很好地满足了短焦数字投影机的要求。


参考文献:

[1] 王之江.实用光学技术手册[M].北京:机械工业出版社,2006.WANGZhi-jiang.Handbookofpracticalopticaltechnology[M].Beijing:ChinaMachinePress,2006.(inChinese)

[2] 张登臣,郁道银.实用光学设计方法与现代光学系统[M].北京:机械工业出版社,1995.ZHANGDeng-chen,YUDao-yin.Practicalmethodforopticaldesignandmodernopticalsystem[M].Beijing:ChinaMachinePress,1995.(inChinese)[3] 高志山.ZEMAX软件在像差设计中的应用[M].南京:南京理工大学出版社,2006.GAOZhi-shan.AberrationdesignapplicationofZEMAXsoftware[M].Nanjing:NanjingUniversityofScienceandTechnologyPress,2006.(inChinese)

[4] 萧泽新.工程光学设计[M].2版.北京:电子工业出版社,2008.XIAOZe-xin.Engineeropticsdesign[M].2nded.Beijing:ChinaElectronicIndustryPress,2008.(inChinese)

[5] 宋家军,何平安.LCOS背投光学引擎中变焦投影物镜设计[J].应用光学,2007,28(1):58-62.SONGJiajun,HEPing-an.DesignofzoomprojectionlensforthelightengineofLCOSrearprojectionTV[J].JournalofAppliedOptics,2007,28(1):58-62.(inChinesewithanEnglishabstract)


ZEMAX技术交流:http://www.opticsky.cn/thread-htm-fid-7.html


+ 扫一扫,关注光行天下公众号!+



+ 扫一扫,安装光行天下移动客户端APP!+



广告合作:QQ 9652202 微信号 cyqdesign

光行天下:http://www.opticsky.cn

人才天下:http://hr.opticsky.cn