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。     

超短焦偏振折反射虚拟现实镜头设计方法

超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案,能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理,说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势,并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度,提出将非球面转化为环形拼接非球面,并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题,引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头,在像质平衡优化后,全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势,并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程,原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。     

基于球面透镜的超短焦投影系统设计

为了实现大像面、小投射比、高清画面要求,设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统,采用缩放法获得初始结构,由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系,计算获得了反射镜坐标数据,拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为5.45 mm,投射比为0.4的物方远心系统,在投影距离720 mm时可投射80 inch画面,清晰度为1080 p,视场角为136°,放大倍率约为125倍,系统点列图均方根(Root Mean Square,RMS)半径小于750μm,畸变小于0.2%,相对照度在96%以上,其MTF曲线幅值在0.54 lp/mm时均大于0.3。公差分析表明,系统设计合理,成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头,该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面,有效降低了加工和装配难度。     

超短焦投影系统中自由曲面的多视场优化迭代 设计方法

为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题,提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法,即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面,基于多视场下物像的对应关系,并根据反射面的法线方向,通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜,可将0.65inch的数字微镜器件芯片在230mm投影距离处放大为100inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43lp/mm处优于0.4,最大畸变优于1%.该方法简单易行,可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.     

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。     

典型折反式超短投射比投影显示系统的光电测试研究

基于典型的折反式超短投射比DLP投影光学系统,提出并搭建了一种通过调整RGB-LED轮转占空比实现白平衡同步实时反馈的DLP投影仪全性能快速测试平台,设计了投影系统的整机层叠式机构和散热布局,并在测试平台下通过光学、散热、功耗、噪声和温升等实验对投影整机的光电性能进行了验证。实验结果具有一定的应用价值和可行性,能够为相关研究和产业化生产提供基本的参考依据。     

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%。     

超紧凑型红外折反式光学系统设计

提出一种超紧凑型折反式红外光学系统设计方法，即系统的主、次镜均采用金属镜，后组采用红外透射材料，实现了总长/焦距比为0.55。在设计中重点分析系统的温度效应，并采取针对性设计，以达到准无热化设计的目的。同时对系统进行杂光分析，给出杂光抑制方案，并使用杂光分析软件对系统进行分析。结果表明：系统像面杂散辐射在0.5%以内，光学材料与结构材料的热胀系数配合得当，系统的热效应很好。     

短焦数字投影镜头的光学设计

为了满足短焦投影市场的需求,利用ZEMAX光学软件开发设计出了一款适用于0.8英寸单片数字光处理投影机的短焦数字投影镜头,该镜头总长172.6 mm,全口径70 mm,采用反远距结构,由6组7片透镜组成,其中包括6片玻璃透镜和1片塑料透镜(两个偶次非球面).镜头全视场达到80°,相对孔径为1/2.1,反远比(工作距离/...     

长焦距大视场折反射系统的光学设计

本文介绍了两种折反射系统的最新设计结果。焦距f′=1.25m,相对孔径D/f′=1/3.5,视场2w=9°。在全视场内,弥散斑的80％能量集中在半径小于5μm的圆内。     

中波红外长焦距折反光学系统设计

针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求,设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求,采用固定焦距和口径的主镜,通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度,同时也降低了制造成本。设计了波长为3.7~4.8 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明,该系统结构紧凑像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并且在-50~70℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法,该系统满足实际加工和应用需求。     

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。     

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。     

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。     

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。     

用于数字光刻的非对称式投影物镜设计

针对DMD数字光刻,利用ZEMAX光学设计软件,设计出了一套适用于型号 0.7XGA DMD的10片式光刻投影物镜。该物镜采用非对称性结构,前组为改进的三分离物镜,后组为匹兹伐物镜加平像场镜,分辨率为2 m,近轴放大倍率为-0.15,像方数值孔径NA为0.158,全视场波像差小于/20 ,畸变小于0.014%,焦深为20 m,通过各项评价可知系统已经达到了衍射极限。在对该镜头进行公差分析后,利用Monte Carlo方法,模拟组装加工了100组镜头,得到90%的镜头MTF＞0.46,50%的镜头MTF＞0.51,证明了这种非对称性结构加工和校装的可能性。     

基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

针对大视场投影镜头的设计问题,利用ZEMAX光学设计软件,通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为:焦距为13.6 mm,全视场角为60°,相对孔径为1/1.6。设计结果表明:镜头的最大畸变量绝对值小于3% ,最大场曲小于0.06 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6,基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成,光学系统结构紧凑、易加工。     

用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。     

Design of off-axis reflective projection lens using spherical Fresnel surface

In this paper, an off-axis reflective projection lens with single Fresnel reflective surface and three aspheric surfaces were designed. The design method of reflective lens using spherical Fresnel surface is discussed. The MTF (Modulation Transfer Function) of the off-axis reflective lens, with optical magnification 100×, F-number 2.5 and field of view 120°, is over 40% at 0.6 lp/mm on the image side, the distortion is less than 2%. This design method can provide reference for application of Fresnel surface in wide field of view imaging, and possesses a bright future with the continuous development of fabrication technique.