基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计

利用ZEMAX光学软件设计了一款适用于部分2.03 cm(0.8英寸)单片DLP投影机机型的短焦(广角)数字投影镜头。该镜头结构由10片透镜组成,具有结构简单、生产成本低、易加工等特点。镜头的全视场角2w达到80,°相对孔径约为1/2.1,有效焦距约为12.7 mm,等效后截距约为37 mm,其投射比约为0.78/1,即1 m的投射距离可以投射出160.02 cm(63英寸)的画面。镜头有较好的成像质量,在分辨率极限35 lp/mm处,0.7视场以内的MTF值均大于0.35,在1/2分辨率极限处大部分视场的MTF值大于0.7,全视场畸变量的绝对值小于3%。     

折反式超短焦变焦投影镜头的设计

为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面,降低超短焦投影的加工成本和装调难度,设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片,16片球面折射透镜和一片非球面反射镜,非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm,投影距离是424～509mm,投射画面尺寸是2.286～2.794m(90～110in),视场角150°,投射比为0.21,水平、垂直TV畸变小于0.25%,相对照度大于90%,MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求,全玻璃透镜的设计易于加工和生产,有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。     

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%。     

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。     

轻小型广角投影物镜的设计

为实现数字投影机的小型化和轻量化,设计了一款适用于0.55 inch数字微反射镜芯片的小型广角投影物镜.该投影物镜总长69 mm,全口径25 mm,由5片玻璃透镜,2片塑料透镜(4个非球面)组成.系统采用像方远心的反远距结构形式,用Zemax软件实现优化设计.F数为F/2.4,投射比为0.73∶1,即60 cm处可投射...     

短焦段数字电影变焦放映镜头的设计

为了填补国内短焦段数字电影变焦放映镜头的空白及满足国内数字电影市场对大投射比镜头的需求,本文采用机械补偿式变焦原理,利用ZEMAX光学设计软件自主研发设计出一款适用于0.65英寸、单数字光处理器、1.3K数字电影放映机的短焦段连续变焦数字电影放映镜头.镜头包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组,由8组10片玻璃球面透镜组成,其中变倍组由一片负透镜构成,补偿组由两组双胶合透镜组构成.镜头总长170mm,全口径70mm,变焦范围为14.5～18.2mm,相对孔径为1/2,投射比范围为0.99∶1～1.23∶1,后工作距离为32.6mm.镜头凸轮曲线的设计采用等间隔变焦的方法,设计出了平滑稳定、斜率适宜、压力角小的凸轮曲线,具有加工方便、加工准确度高、变倍组升角容易控制且焦距变化均匀的优点.整个镜头结构简单、体形小、重量轻、成本低.     

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。     

用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计

针对现有沉浸式飞行模拟器进一步小型化和低成本化的需求,设计了一款应用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头。论文确定了投影方案中各部件(球带幕、投影机、投影物镜)的关键参数,设计的球带幕投影镜头具有172°的视场角和6∶1的反远比,将一台装有该镜头的投影机置于银幕上沿就可以将画面投满整个球带幕。文中给出了大视场、大反远比光学系统的构造方法,对大视场非相似成像系统中的畸变、场曲和相对照度进行了分析和讨论,并给出了改善照度均匀性的有效途径。该镜头以8片透镜的低成本结构满足了4 k分辨率的高质量投影需求,在奈奎斯特频率185 lp/mm处全部视场的MTF值均达到了0.4以上,且具有良好的工艺性。     

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。     

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。     

单机数字立体双通道放映镜头的光学设计

介绍了一种新型单机数字立体电影双通道放映系统,利用ZEMAX光学设计软件与人工构造相结合的方法,成功设计了一款单机数字立体电影双通道放映镜头。镜头采用特殊的离轴、三轴结构和折射式光路,由前组和后组两分结构体组成,前组包括6组7片球面透镜,后组由两个完全相同的、对称的3组4片球面透镜结构组成。镜头参数为：总长243.87 mm,最大口径93 mm,焦距20.23 mm,全视场角36°,相对孔径1/2.01;后组两副光轴的间距为8.2 mm,工作距为37.8 mm。镜头具有体积小、成本低、结构简单、成像质量好等特点。     

一款超薄800万像素手机镜头的设计

为了满足市场对超薄手机镜头的要求,运用光学软件CODEV,结合非球面理论,设计一款新的超薄800万像素手机镜头。该镜头由4片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃组成,其中第1片透镜是正透镜,第2片镜片是负透镜,第3片镜片是正透镜,第4片镜片是负透镜,且光阑位于第1片透镜的前面。镜头光圈值F为2.4,视场角2为65.5,焦距为3.731 5 mm,后焦距0.31 mm,镜头总长度为4.6 mm,在最高频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2% 。     

折反式超短焦投影镜头设计

针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求,该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构,利用物、像关系原理,结合物方视场计算反射镜面型参数,得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲,整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜,系统总长286 mm,投影距离500 mm,投射画面尺寸254 cm(100英寸),系统投射比0.22,相对照度大于85%,MTF(modulation transfer function)在0.4 lp/mm时大于0.5,水平TV畸变小于0.55%,垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标,采用同轴球面设计易于加工、装调,可有效降低生产成本。     

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。     

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.     

基于自由曲面反射镜的低投射比超短焦投影物镜的光学设计

为了设计低投射比的超短焦投影物镜,本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11.938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后,分析了系统的性能。仿真结果表明:超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3048 mm尺寸的大屏幕投影,系统的投射比低至0.19,系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点,可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。     

通用型短焦投影镜头的设计

为设计一款可用于不同规格的投影机的通用型短焦投影镜头,整合了应用较为广泛的几款主流机型的光学特征参数,以不同机型内部光学引擎的的不同尺寸的分色合色棱镜作为镜头的一部分,建立多重结构,并根据不同机型参数合理确定了镜头的像高、分辨率、后工作距等设计指标,设计了一款短焦投影镜头,可用于0.63英寸（1.6 cm）~0.8英寸(2.03 cm)芯片且基于单DMD或3LCD技术的投影机,投射比为0.8:1~0.95:1。分析了短焦投影镜头中较难处理的照度和畸变问题,最后给出了可行的解决办法,并对光学系统进行了公差分析。     

基于自由曲面反射镜的低投射比超短焦投影物镜的光学设计（英文）

为了设计低投射比的超短焦投影物镜,本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11.938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后,分析了系统的性能。仿真结果表明:超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3 048 mm尺寸的大屏幕投影,系统的投射比低至0.19,系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点,可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。     

Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°～90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657 mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°~90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.