基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计

2020-01-31 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:利用ZEMAX光学软件设计了一款适用于部分2.03cm(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12.7mm,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35lp/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

引言

投影机和屏幕间的距离与画面尺寸成正比,投影机离屏幕越近,投射出的画面尺寸越小,反之,画面则越大。如果投影空间并不大,但是又需要展示一个较大的画面,就不得不将投影机放在空间的最后面,尤其在小型会议上,人们只能围坐在投影机的周围忍受着眼前耀眼的光线和风扇的噪音进行会议演示和交流。如果屏幕前的演讲者无意中时不时地遮挡住光线,台下观看的人更会因此受到很大影响。于是,在有限的空间内以最短的距离实现最大的清晰画面便成为了当今以及未来实际应用中一个新的需求所在。

通常情况下,一般的投影机只配备了标准镜头,这样的投影机如果要投出152.4cm(60英寸)的画面需要将投影机放置在2.2m远的地方,203.2cm(80英寸)则要2.6m,254cm(100英寸)则要达到3m~4m。而配备了短焦镜头的投影机,投影的距离可以大大缩短,1m就可以投射出152.4cm的画面,1.7m投射254cm画面,而且还减轻了亮度不足的问题。

应市场需求,大量的短焦投影镜头浮出于市。本文基于ZEMAX软件设计出了一款焦距为12.6914mm,相对孔径为1/2.0981,视场角达到80°的短焦数字投影镜头,它在1m的投影距离可以投射出160.02cm(63英寸)的画面。

1.设计指标

要求镜头的最大视场角达到80°,相对孔径(D/f′)控制在1/2.2以上,工作距离大于37mm,有效焦距控制在12mm~14mm之间,适用于芯片为2.03cm的单片DLP短焦数字投影机,投射画面比为4∶3,镜头外径控制在100mm以内,总长控制在150mm以内。

2.设计过程

2.1.设计思路

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(2.03cm芯片)当作像,把实际的投影画面(投影屏)当作物。另外,各类数字投影机中均含有光学引擎,所以设计时应把棱镜考虑在内。

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射出尽可能大的投影面积,同时,数字投影机内部都含有一定的光学引擎,这就要求了这种结构要具有大视场、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[1]。反远距物镜一般由负的前组镜和正的后组镜组成,这类结构比较复杂,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[2]。根据本文的设计指标从现有的反远距型结构中选择一种作为该设计镜头的初始结构。我们选择了一种2组12片的初始结构,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(2w)为78°。这与设计目标有一定差别,接下来用ZEMAX软件对其进行设定和优化,使其达到设计指标。

图1.初始结构

2.3.结构优化

用ZEMAX进行设定优化,使得各种参数达到设计要求。其过程如下:

1)首先对这个结构进行缩焦;

2)将每个透镜的半径、厚度以及空气间隔设为可变量;

3)在最后一个透镜的后方加入一个厚度为24mm、玻璃牌号为H-K9L的棱镜;

4)在ZEMAX的MeritFunctionEditor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;

5)用MNCG,MXCG,MNEG操作数对每个透镜的中心厚度和边缘厚度进行控制,用MNCA,MXCA,MNEA操作数对各透镜间的中心空气厚度和边缘空气厚度进行控制;

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;

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矢方向上视场的场曲进行控制;

9)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[3]。

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数(f′/D)为2.2,有效焦距约为12.7mm,等效后截距约为37mm,外径约为89.0mm,总长度(不包含棱镜)为130.0mm,像高10.23mm×2=20.46mm,由于所适用投影机的芯片大小为20.3mm,所以像的尺寸和芯片大小基本吻合。

图2.优化后的镜头结构

优化后的结构基本符合设计指标,它的光学传递特性与像差如图3和图4所示。

图3.镜头的MTF

图4.光线像差

从图3和图4可以看出,该设计镜头有较高的成像质量,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实际的应用要求,但是它的结构过于复杂,由12片镜片组成,而且12片中含有较多镧系的玻璃,这些玻璃的价格相对较昂贵,均为很少使用的玻璃[4],这些都大大增加了实际的生产成本,另外,镜头的镜片数目越多,对光能量的损失越多,这就大大降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。

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