基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

侯国柱;吕丽军;曹一青

【摘要】For the problem about the design of large field-of-view(FOV) projection lens,a projection lens with large FOV was designed with ZEMAX through limiting the basic parameters and dimensions of the lens by various operating parameters. The optimization process was carried on by using lens frame. The main optical parameters are such that the focal length is 13.6 mm,the full FOV is 60°,the relative aperture is 1/1.6. From the result we can see that the absolute value of maximum distortion of full field lens is less than 3%,the maximum field curve is less than 0.06 mm,the modulation transfer function( MTF) of the whole FOV at 50 lp/mm is greater than 0.6,which is very closed to diffraction limit. The designed optical system is composed of 10 pieces of spherical lenses and has the advantages of compact structure and easy processing.%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.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2016(037)005

【总页数】5页(P742-746)

【关键词】光学设计;ZEMAX;大视场;投影镜头

【作者】侯国柱;吕丽军;曹一青

【作者单位】上海电机学院工业技术中心,上海 201306;上海大学精密机械工程系,上海 200072;上海大学精密机械工程系,上海 200072;上海大学精密机械工程系,

上海 200072

【正文语种】中文

【中图分类】TN202;TH703;O439

超广角投影可以在有限的空间内以最短的距离投射出最大的清晰画面，成为当今以及未来实际应用中新的需求，被广泛应用于数字教学领域以及以边缘融合技术为基础的现代化数字展示工程领域，如多通道环幕电影、广告宣传、展览馆、博物馆、科技馆和美术馆等领域[1-3]。国内外超广角投影技术主要有反射式和直接投射式

2种形式，直接投射式的核心技术部件就是超广角数字投影镜头，被广泛地应用在投影领域[4]。国内外现有的超广角数字投影镜头仍有许多技术问题有待解决，如

投影画面出现扭曲、画面照度低且不均匀、清晰度不够、边缘画面色差大、外形体积大等，投影画面偏移量不足也是此类镜头存在的问题。而且，由于目前市场上数字投影机的品牌和规格较多，不利于镜头的批量化生产，所以能通用于多品牌、多规格主流数字投影机的超广角数字投影镜头的研究和开发显得非常迫切[1]。

近年来，市场上的投影镜头虽然种类越来越多，但是一般的镜头只考虑性能的提升，大都使用了多个非球面或者二次曲面等非球面设计。由于我国的非球面制造和检测技术不够全面，所以给生产制造和产品检测增加了一定难度[5]。ZEMAX是一款通用、高效的光学设计软件，具有强大的光学设计和仿真分析功能，基于该软件设计

了一款全部为球面的大视场数字投影镜头[6-7]。该款镜头是由10片球面镜组成的大视场角投影系统，在保证整体像差优异的前提下，最大限度地简化了结构，缩小了外形尺寸，提高了画面清晰度、画面照度以及画面照度均匀性，降低了生产成本，通用性好。

首先根据相关参量和技术指标，选择一适当的初始结构，把某些必要的约束条件移植进ZEMAX中，然后用ZEMAX软件对其进行设定和优化，使其达到设计指标。在ZEMAX的Merit Function Editor中，用各种操作数对镜头的基本参数、外形尺寸进行限制，如用EFFL对镜头的有效焦距进行限制，用EXPP对镜头的出瞳位置进行限制，用DMLT和TOTR分别对镜头的最大口径和总长度进行限制等；在

评价函数中自建立控制操作符对整个系统的球差和轴向色差进行控制[8-9]。

根据光路可逆性，设计镜头时，采用反向光路的设计方法，也就是物像颠倒的方式进行设计，在设计过程中把实际投影中的物当作像，把实际的投影画面当作物，利用ZEMAX光学软件进行优化设计[10]。

1.1 设计目标

数字投影镜头的光学特性通常用焦距、视场角、相对孔径和后工作距离表示[10]。本文确定的大视场投影镜头的设计目标如表1所示。

1.2 初始结构选择

本文设计的投影镜头是大视场中口径投影镜头，所选的镜头初始结构如图1所示。此初始结构镜头由16片球面镜组成，有效焦距为6.2 mm，相对孔径为1/2.1，

视场角为100°。由于反远距镜头后工作距离大于系统焦距，具有焦距短、后截距

长的特点。投影镜头多选用反远距型结构，反远距镜头一般由负的前组透镜和正的后组透镜组成，采用负正透镜分离的方式，负光焦度透镜组在前，正光焦度透镜组在后[11]。反远距结构具有长后工作距离、大视场的特点[12]。通常，前组结构的复杂程度由视场决定，后组的复杂程度由相对孔径决定[13]。