基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

李维善;陈琛;张禹;刘宵婵

【摘要】A wide-angle digital mini-projection lens applied to 0. 5\"digital light processing(DLP) projectors was designed with ZEMAX. The structure is composed of 8 lenses. It is characterized by simlicity, compactness, low cost and easy processing. The effective focal lenth of the lens is 8. 25 mm, F number is 2. 2, field of view (FOV) is 80. 5°, the maximum diameter is less than 24 mm,the optical total track is 40mm and the back working distance is 24mm. Its modulated transfer function (MTF) in all fields is higher than 0.

45 at 66 1p/mm. The absolute value of the full FOV distortion is less than 0. 7%. The lateral chromatic aberration is less than 0. 5 pixel . The image quality of the lens is very good.%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 Ip/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.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2011(032)006

【总页数】5页(P1121-1125)

【关键词】光学设计;微型投影镜头;ZEMAX;MTF;畸变;垂轴色差

【作者】李维善;陈琛;张禹;刘宵婵

【作者单位】秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000;秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066000

【正文语种】中文

【中图分类】TN202;O439

引言

从历史上第一台投影仪到后来的光学投影仪，再到今天的数字投影机，投影技术发展到今天，已经不单是放映清晰高效的影像效果如此简单的要求了。由于投影机广泛应用于生活、商业、教育、军事等各个领域，这就使得用户要求其具有越来越高的高效性、轻便性，因此，微型投影随之应运而生。

通过市场调研，实际考察微型投影的潜在发展，得知对微型投影镜头的研究具有重大的意义。我国微型投影市场的潜力巨大，手机等其他移动产品和微型投影机的结合，将使我国微型投影市场规模超过传统投影机市场，另外，微型投影机进入家庭也是我国投影市场未来的发展趋势［1］。因此，研究微型投影光学系统对我国投影产业具有非常重要的意义。

本文基于ZEMAX软件设计出了一款焦距为8.25mm，相对孔径为1／2.2，视场角为80.5°的单片式DLP微型投影物镜。

1 技术设计指标

根据要求设计一种0.55″DLP（DMD：7.530 mm×12.045mm，像元大小：

0.007 64mm×0.007 64mm）微型投影镜头，该镜头要求在600 mm的投影距

离处可以投射的画面尺寸为40″，相对孔径为1／2.2，光学总长小于等于50mm，最大口径在26mm以内，后工作距离为24mm。最大畸变量的绝对值小于1%，中心视场的MTF值在镜头的分辨率处大于0.6，边缘视场以内的MTF值均大于0.4，垂轴色差小于0.5pixel（1pixel大小为7.64μm），相对照度要大于90%。该微型投影物镜的照明光源采用LED光源，工作波长为617 nm，525nm和

464nm。

2 技术指标分析

2.1 微型投影镜头的焦距

微型投影镜头的设计优化是由一系列的性能参数和结构参数决定的，首先要根据镜头的特性初步确定该镜头的焦距大小。投影物镜的焦距和屏幕尺寸、成像器件尺寸、投影距离之间存在以下关系式：

根据以上关系式可以初步确定投影物镜的焦距为

2.2 微型投影镜头的相对孔径

相对孔径是投影物镜的一个重要的参数，决定了投影物镜的进光能力，也就是投影物镜的亮度［2］，但是相对孔径的大小会影响投影物镜的结构形式，其值越大投影物镜的结构形式就越复杂。一般情况下其值在1／3.5～1／1.4之间的物镜为强

光物镜，本设计中的DLP微型投影物镜属于强光物镜。

2.3 微型投影镜头的视场

在成像器件尺寸和投影距离确定的情况下，视场角决定了镜头成像的大小，也就是投影屏幕的大小。故，由投影屏幕尺寸和投影距离确定了该微型投影物镜的视场角为

视场角在60°到90°之间的物镜属于广角物镜，所以该微型投影物镜属于广角物镜。

2.4 微型投影镜头的分辨率

光学传递函数可以综合评价一个投影物镜的成像质量。投影物镜的分辨率需要和微显芯片的分辨率匹配，投影镜头的分辨率由所采用的显示芯片DLP的分辨率决定。本设计中采用的DLP微显芯片尺寸：7.530mm×12.045mm（0.55″），像元大小：0.007 64mm×0.007 64mm，所以，该DLP微型投影物镜的分辨率为［3］

通常物镜的性能由f′、D／f′和2ω这3个光学特性参数决定，3个参数之间有联

系又有制约，可以用前苏联光学专家的经验公式Cm＝D／f′·来表示三者之间的关

系［4］。一般来说，当Cm≤0.24时，认为这个光学系统的像差校正就不会发生

困难；当Cm＞0.24时，像差校正就比较困难，成像质量差，需要重新考虑物镜

设置的合理性。由经验公式，得出本文设计的微型投影物镜的Cm大小为

此微型投影物镜可以进行校正。

3 设计过程

3.1 初始结构选择

本文设计的DLP微型投影物镜是一种大视场、大相对孔径、长后工作距离的光学

系统。而反远距结构具有长后工作距离、大视场的特点［5］。根据设计指标选择了一种结构作为该微型投影镜头的初始结构。图1为初始结构的光学系统外形图。这个投影物镜有效焦距为10.5mm，相对孔径为1／2.3，视场角为81.5°，最大

口径为54.2mm，光学总长为190mm。结构中采用了3个10次的高阶偶次非球面，分别是第三面、第四面以及第十四面。

图1 初始结构Fig.1 Primary structure