基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

 利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头。镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点。镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm。镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 lp/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7%,垂轴色差小于0.5个像元大小。     

球幕投影数字鱼眼镜头的光学设计

采用非相似成像原理,利用Zemax光学软件设计了一款适用于1-60 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构,由5组6片球面透镜组成,具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180,焦距为3.28 mm,相对孔径为1/1.9,后工作距离为35.8 mm,光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量,在50 lp/mm处,各个视场的MTF值均大于0.4,最大垂轴色差为4.5 m,全视场的F-theta畸变绝对值小于3%,最大视场的像面相对照度达到96.27%。     

基于ZEMAX的超广角照相物镜设计

针对超广角照相物镜的设计,利用ZEMAX光学设计软件,由各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,通过选择适当后组,利用三级逆伽利略系统串接的方法优化设计了前组,前后组组合在一起后经过进一步优化设计,得到一款在可见光波段内、焦距为6.2 mm、全视场角为100、F数为2.1的照相物镜。该镜头由16片球面透镜组成,设计结果表明,全视场镜头的最大畸变量的绝对值小于3.5% ,最大场曲小于0.05 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.7,达到衍射极限。     

超广角数字通用型投影镜头设计

为了解决现有超广角数字投影镜头存在的缺陷和不足,并与不同类型和规格数字投影机的超广角投影匹配,给出了8组9片式超广角数字通用型投影镜头的光学系统设计.镜头焦距为8.76mm、全视场角达到97°、F数为2.12、后工作距离大于34mm、最大口径小于96mm、总长小于200mm,结构中加入了1个偶次非球面,较好地校正了轴外像差与畸变.用减少透镜数量和增大相对孔径的办法提高了像面照度;通过增大光阑慧差及减小像方半视场角,提高了像面相对照度,其值达97.46%以上.通过合理确定棱镜等效厚度及调整结构布局,使结构适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~23mm.设计的镜头分辨率达120lp/mm、全视场相对畸变绝对值小于1.5%.结果表明:该镜头可满足0.55in~0.76in 3LCD和1DLP类型的各种数字投影机的使用,最小投射比可达0.53∶1,投影画面偏移量最大达到389mm,结构简单,体形小,成本低,成像质量好,可批量化生产.     

周视监控全景镜头设计

利用ZEMAX光学软件设计了一种可用于周视监控的全景镜头,镜头由凹凸反射镜组和中继镜组组成,反射镜组使镜头获得大视场角,中继镜组将反射镜组所成的虚像投影到探测器上。该镜头有效焦距为0.97 mm,F数为1.5,垂直方向视场为65~95,水平方向视场为360,镜头工作在475 nm~750 nm波段,总长为69.7 mm。设计结果表明:系统全视场f 型畸变小于5 %,调制传递函数（MTF）值在空间频率为60 lp/mm时大于0.58,系统成像质量良好,可满足周视监控的使用要求。     

结构简洁的光学变焦距手机镜头设计

通过利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款适用于手机的2倍内置式光学变焦距镜头。镜头仅由4片非球面的塑料透镜和1片BK7的红外滤光片构成,能够达到285 lp/mm的空间频率,可匹配1.75μm的COMS图像传感器,全视场RMS半径均小于艾利斑半径,全视场最大畸变小于3%,MTF值在1/2奈奎斯特频率处的大部分视场大于0.5,总长度小于9.2 mm。整个变焦距系统结构紧凑,分辨率高,成本低,可满足手机镜头光学变焦的要求。     

小口径双通道球幕投影镜头的设计

为提高球幕投影成像质量,提出了双通道球幕投影方案,并基于此方案,为3.05 cm(1.2英寸)3DMD芯片技术投影机设计了双通道球幕投影镜头。根据投影方案确定了设计指标,对初始结构的选型做出了合理的分析,阐述了光学设计过程,给出了像差优化及设计结果的评价。为避免镜头口径过大引起的重心不稳,通过合理控制光线入射高度,将镜头首片透镜的口径进行了大幅度的压缩,最终口径仅为102 mm。设计的成像质量高、像质均匀的球幕双拼投影镜头F#为2.5,反远比为6:1,1.0视场在38 lp/mm的Nyquist频率处MTF值为0.5,0.85以内视场的MTF值达到0.65以上,最大横向色差为4.7 μm,小于0.5 pixel。     

微投影广角镜头设计

为了满足国内外视场投影仪微型轻量化的趋势,设计一款适用于德州仪器推出的1.19 cm (0.47 英寸)、1080 pix数字微反射镜片的微型广角投影镜头。镜头由7片玻璃（均为国内常见玻璃）和2片塑料（4面非球面）透镜组成,结构简单,易加工。透射比0.66:1,即在600 mm处投影出111.76 cm(44 英寸)的画面,镜头有效焦距6.45 mm,F#:2.1,全视场86,系统总长46 mm,最大口径22 mm,在空间极限频率93 lp/mm处0.8视场以内传递函数值都超过0.62,边缘视场的传递函数值超过0.43,全视场畸变小于等于2%,垂直色差小于等于0.18 m。     

大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

超短投影距的投影物镜设计

为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的,先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型,再对投影镜头整体优化,设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2,焦距4 mm,像方视场角128°,像方0.4 lp/mm(截止频率)处调制传递函数(MTF)大于0.6,最大畸变的绝对值0.9%,镜头总长100 mm,最大口径Φ=80 mm。设计结果表明,该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构,全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化