第31卷第5期应用光学Vol.31 No.52010年9月Jour nal of Applied Optics文章编号：1002-2082(2010)05-071404基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计李维善，陈琛，张禹，刘宵婵(秦皇岛视听机械研究所，河北秦皇岛066000)摘要：利用ZEMAX光学软件设计了款适用于部分2.03cm(0.8荚寸)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20达到80°，相对孔径约为V2.1,有效焦距约为12.7mm,等效后截距约为37mm,其投射比约为0.78/1，即1m的投射距离可以投射出160.02cm(63英寸)的画面。镜头有较好的成像质量，在分辨率极限35l/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%。关键词：光学设计；投影镜头；ZEMAX;分辨率；MTF中图分类号：TN202:0439文献标志码：ADesign of short focal digital projection lens based on ZEMAXLI Wei-shan,CHEN Chen,ZHANG Yu,LIU Xiao-chanQinhuangdao Audio-V isual M achinery Research Inst itute,Qinhuangdao 066000,China)Abstract:A short focal digital projection lens for 2.03 cm DLP projectors was designed withZEMAX.The structure is composed of ten lenses.Its production cost is low,and it is processedeasily.The full FOV of the lens is 80,the aperture is about 1/2.1,E.F.L is about 12.7 mm,B.F.L is about 37 mm,and projection ratio is about 0.78/1.Its MTF in all fields less than 28is higher than 0.35 at the limit ing spatial frequency of 35 lp/mm.MTF in the most fields at halfof the limiting spatial frequency is higher than 0.7.The absolute value of the full field of viewdistortion of the lens is less than 3%.The image quality of the lens is very good.Key words:optical design;projection lens;ZEM AX;resolution;MTF引言大的清晰画面便成为了当今以及未来实际应用中投影机和屏幕间的距离与画面尺寸成正比，投一个新的需求所在。影机离屏幕越近，投射出的画面尺寸越小，反之，画通常情况下，一般的投影机只配备了标准镜面则越大。如果投影空间并不大，但是又需要展示头，这样的投影机如果要投出152.4cm(60英寸)一个较大的画面，就不得不将投影机放在空间的最的画面需要将投影机放置在2.2m远的地方，后面，尤其在小型会议上，人们只能围坐在投影机203.2cm(80英寸)则要2.6m,254m(100英寸)的周围忍受着眼前耀眼的光线和风扇的噪音进行则要达到3m~4m。而配备了短焦镜头的投影机，会议演示和交流。如果屏幕前的演讲者无意中时不投影的距离可以大大缩短，1m就可以投射出时地遮挡住光线，台下观看的人更会因此受到很大152.4cm的画面，1.7m投射254cm画面，而且影响。于是，在有限的空间内以最短的距离实现最还减轻了亮度不足的问题。收稿日期：201004日5修回日期：201006-09作者简介：李维普(1984)，男，江苏徐州人，助理工程师，硕士，主要从事光学投影、监控等镜头的研究与设计工作。应用光学201031()李维普，等：基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计应市场需求，大量的短焦投影镜头浮出于市。有一定差别，接下来用ZEMAX软件对其进行设定本文基于ZEM AX软件设计出了一款焦距为和优化，使其达到设计指标。12.6914mm,相对孔径为1/2.0981，视场角达到2.3结构优化80的短焦数字投影镜头，它在1m的投影距离可用ZEMAX进行设定优化，使得各种参数达到以投射出160.02cm(63英寸)的画面。设计要求。其过程如下：1)首先对这个结构进行缩焦：1设计指标2)将每个透镜的半径、厚度以及空气间隔设要求镜头的最大视场角达到80°，相对孔径为可变量：(D/f)控制在1V2.2以上，工作距离大于37mm,3)在最后一个透镜的后方加入一个厚度为有效焦距控制在12mm~14mm之间，适用于芯24mm、玻璃牌号为HK9L的棱镜；片为2.03cm的单片DLP短焦数字投影机，投射画4)在ZEMAX的M erit Function Editor中，面比为4：3，镜头外径控制在100mm以内，总长用各种操作数对镜头的基本参数、外形尺寸进行限控制在150mm以内。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2设计过程TOTR分别对镜头的最大口径和总长度进行2.1设计思路5)用MNCG,MXCG,MNEG操作数对每个根据光路可逆性，设计镜头时，采用反向光路的设计方法，即在设计过程中把实际投影中的物透镜的中心厚度和边缘厚度进行控制，用MNCA,(2.3cm芯片)当作像把实际的投影画面（投影MXCA,MNEA操作数对各透镜间的中心空气厚屏)当作物。另外，各类数字投影机中均含有光学引度和边缘空气厚度进行控制：擎，所以设计时应把棱镜考虑在内。6)用REAY操作数对入射到像面的光线进行控制，以减少像差，提高成像质量；2.2选择初始结构短焦数字投影镜头就是要在较短的距离内投7)用DIMX操作数对视场的畸变进行控制：8)用FCGT和FCGS操作数分别对子午和弧射出尽可能大的投影面积，同时，数字投影机内部矢方向上视场的场曲进行控制；都含有一定的光学引擎，这就要求了这种结构要具9)在评价函数中自建立控制操作符对整个系有大视场、长工作距离的特点，而反远距结构（焦距较短，后截距很长)恰恰满足这些要求。反远距物统的球差和轴向色差进行控制)。镜一般由负的前组镜和正的后组镜组成，这类结构2.4优化结果优化后的镜头结构如图2所示。半视场为40°，F比较复杂，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习。根据本文的设数(f1D)为2.2，有效焦距约为12.7mm,等效后截计指标从现有的反远距型结构中选择一种作为该距约为37mm,外径约为89.0mm,总长度不包含棱设计镜头的初始结构.我们选择了一种2组12片的镜)为130.0mm,像高10.23mm×2=20.46mm,初始结构，如图1所示，有效焦距(E.F.L)为15.98mm,后截距(B.F.L)为41，F数（相对孔径倒数为2.2，全视场角(2)为78°。这与设计目标图1初始结构图2优化后的镜头结构应用光学2010.31(5)李维善，等：基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计由于所适用投影机的芯片大小为20.3mm,所以像光阑后面的结构由4片透镜组成.为了满足长的后的尺寸和芯片大小基本吻合。截距和一定的出瞳位置，它们的结构非常紧凑，这优化后的结构基本符合设计指标，它的光学传便加大了后期加工装配的难度，精确度也很难保递特性与像差如图3和图4所示。证，所以要简化光阑后面的结构。而系统光阑之前的结构同样过于复杂，在保证总的光焦度变化不大的情况下，去掉了2个镜片。最后，采用ZEMAX软0.7件的Hammer Optimization功能自动对光学系统0.6进行合理的玻璃替换。在使用Hammer Optimiza-0.40.3tiom之前，首先把各玻璃面的Glass Solve Stype设定为Substit ut e,另外，为了避免自动选用价格昂贵且很少使用的玻璃，在Glass Catalog菜单中对选用玻璃库中的这些玻璃设定为ExcludeSubstitute,同时保存玻璃库。2.6最终优化结果图3镜头的MTFFig.3 MTF of lensOptimization功能对系统不断地优化，最终得到了由10片镜片组成的结构，镜片均为价格低且经常使用的材料。其半视场角为40°，相对孔径约为1/2.1,有效焦距约为12.7mm,等效后截距约为37mm,像高为10.19mm×2=20.38mm,与芯片尺寸(20.32mm)更加匹配。该结构的光学传递特性和像差如图5~图7所示。7图4光线像差Fig.4 Aberration of ray从图3和图4可以看出，该设计镜头有较高的0.1成像质量，整个系统的像差都得到了较好的控制，特别是在中心视场和0.7视场以内的像差得到了更好的控制。优化后镜头的技术指标和整体像差都满足了图5结构简化后的MTF曲线实际的应用要求，但是它的结构过于复杂，由12片Fig 5 MTF of simplified lens镜片组成而且12片中含有较多镧系的玻璃，这些结构简化后的MTF曲线与简化前相比，很明玻璃的价格相对较昂贵，均为很少使用的玻璃，显稍差了一些，但是它足以满足实际的应用要求，这些都大大增加了实际的生产成本，另外，镜头的这是因为，如果要使投影镜头的分辨率与芯片的分镜片数目越多，对光能量的损失越多，这就大大降辨率更好地匹配，那么就必须满足：低了投影画面的亮度，因此要对这个镜头做进一步的结构简化以及玻璃材料的替换，降低生产成本。芯片单像素尺寸=2×镜头的分辨率2.5改进结构本文采用的芯片是2.03m的单片DLP,它的该镜头焦距短，而且要求很长的后截距，另外，单像素尺寸为14m,所以镜头的分辨率必须达到对于投影镜头在反向光路设计时，应尽量使光学系35lp/mm。从图7可以看出，该系统所有视场的极统的出瞳位置接近投影机光源的出射窗位置，这些限分辨率均远大于35lp/mm。在35lp/mm处，0.7