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基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

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第32卷第6期 应用光学 Vo1.32 No.6 2011年11月 Journal of Applied Optics NOV.2O11 文章编号:1002—2082(2011)06—1121—05 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 (秦皇岛视听机械研究所,河北秦皇岛066OO0) 摘 要: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 lp/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O.7 ,垂轴色差小于0.5个 像元大小。 关键词:光学设计;微型投影镜头;ZEMAX;MTF;畸变;垂轴色差 中图分类号:TN202;0439 文献标志码:A doi:10.5768/JAO201132.0601013 Digital light processing mini—proj ection lens based on ZEMAX LI Wei—shan,CHEN Chen,ZHANG YU,LIU Xiao—chan (Qinhuangdao Audio—Visual Machinery Research Institute,Qinhuangdao 066000,China) Abstract:A wide—angle digital mini—projection lens applied to 0.5 digital light processing(DLP) proj ectors was designed with ZEMAX.The structure is composed of 8 lenses.It is character— ized 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 modu— lated transfer function(MTF)in all fields iS higher than 0.45 at 66 1p/mm.The absolute value of the full F0V distortion iS less than 0.7 .The lateral chromatic aberration iS less than 0.5 pixe1.The image quality of the lens is very good. Key words:optical design;mini—proj ection lens;ZEMAX;MTF;distortion;lateral chromatic aberratjOn 引言 通过市场调研,实际考察微型投影的潜在发 从历史上第一台投影仪到后来的光学投影 展,得知对微型投影镜头的研究具有重大的意义。 仪,再到今天的数字投影机,投影技术发展到今 我国微型投影市场的潜力巨大,手机等其他移动 天,已经不单是放映清晰高效的影像效果如此简 产品和微型投影机的结合,将使我国微型投影市 单的要求了。由于投影机广泛应用于生活、商业、 场规模超过传统投影机市场,另外,微型投影机进 教育、军事等各个领域,这就使得用户要求其具有 入家庭也是我国投影市场未来的发展趋势[1]。因 越来越高的高效性、轻便性,因此,微型投影随之 此,研究微型投影光学系统对我国投影产业具有 应运而生。 非常重要的意义。 收稿日期:2011—02—23; 修回日期:2011-10—10 基金项目:科技部基金(2010EGl19161);科技部立项技术创新基金(10C26211303678) 作者简介:李维善(1984一),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。 E-mail:54Liweishan@163.corn ・1122・ 应用光学2011,32(6) 李维善,等:基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计 本文基于ZEMAX软件设计出了一款焦距为 8.25 mm,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×12.045 mm,像元大小:0.007 64 mm× 0.007 64 ram)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50 mm,最大 口径在26 mm以内,后工作距离为24 mm。最大 畸变量的绝对值小于l ,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7.64 m),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,525 nm和464 nm。 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: 成像器件尺寸一屏幕尺寸 投影物镜焦距 投影距离 根据以上关系式可以初步确定投影物镜的焦 距为 投影物镜焦距=== 堡 至 一 一8.25 mm 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 ],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 2 --2arctan(警)一2arctan( 508)一80.5。 视场角在60。到9O。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:7.530 mm×12.045 mm(0.55”), 像元大小:0.007 64 mm×0.007 64 mm,所以,该 DLP微型投影物镜的分辨率为[3] 投影物镜的分辨率一 紊 可一 1 , 一bb p/mm 通常物镜的性能由f 、D/f 和2 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 ・ tan∞・ 万丽来表示三者之间的关系 。一般 来说,当C ≤0.24时,认为这个光学系统的像差 校正就不会发生困难;当C >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C 大小为 Cm=D/f ・tan ・ 惭一 1.tan40.25 ̄X√ 1 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54.2 mm, 应用光学2011,32(6) 李维善,等:基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计 ・1123・ 光学总长为190 mm。结构中采用了3个10次的 和初级垂轴色差控制E63。 4)在一系列的优化之后,查看各种像差情况, 修改目标值和权重,进行更一步的优化。同时在 评价函数中自建立控制操作符对整个光学系统的 高级像差进行控制[7]。 高阶偶次非球面,分别是第三面、第四面以及第十 四面。 5)进一步的修改结构,用ZEMAX软件中的 Hammer Optimization功能自动对光学系统进行 合理的玻璃替换,最终选用价格便宜,同时易加工 的光学玻璃。 图1初始结构 除了上述一系列的优化之外,在设计中本文 Fig.1 Primary structure 还设定了非球面来对系统进行优化。采用非球面 3.2 结构优化 首先在ZEMAX软件的界面内输入初始镜头 可以提高系统的相对孑L径,扩大视场角,在提高光 束质量的同时,可以减少透镜的数量,缩小系统总 的结构参数,设置好相对孔径、视场、工作波长等。 长,使镜头的形状小型化,从而减轻了整个系统的 根据本文设计的微型投影镜头的焦距,利用ZEM- 重量。采用非球面,更有利于校正系统的球差、像 AX软件对初始结构进行缩焦,使镜头焦距达到 散、场曲,减少光能损失,从而获得高质量的图像 8.25 mm。接下来就是对缩放后的结构进行优化, 效果和高品质的光学特性E8-93。 使其达到设计指标要求。过程如下: 3.3设计结果与分析 1)在ZEMAX软件优化之前先将各镜片的曲 经过对初始结构的不断修改、优化,最终设计 率半径、厚度、镜片之间的空气厚度设为优化 出一款满足设计指标的DLP微型投影物镜,图2 变量。 为该微型投影物镜的结构图。该物镜由6组8片 2)选择默认的优化函数,这里首先采用光斑 组成,其中有两片为光学塑料(PMMA),六片为光 半径优化的方式进行初步优化,然后再用波前差 学玻璃,而且光学玻璃均为价格便宜、经常使用、 优化的方式进行优化。本文设计的微型投影物镜 易加工的材料(如H—K9L、H-ZKll、H-ZF1等)。 是大像差光学系统,各种像差都需要一定的校正, 其有效焦距约为8.25 mm,相对孔径约为1/2.2, 所以先选用光斑半径作为优化方式,当像差优化 视场角为8O.5。,最大口径小于24 mm,光学总长 到较小的阶段后,再选用波前差进行进一步的优 为40 mm,后工作距离为24 mm。 化。这样不仅可以加快优化的速度,还可以很好 地校正像差。 3)用系统默认的优化函数初步优化之后,进 一步进行自定义优化函数优化。在ZEMAX软件 的Merit Function Editor中,用各种优化操作数对 镜头的基本参数、外形尺寸等进行,如EFFL 对镜头的有效焦距控制、DMLT对镜头的最大口 图2优化后的结构图 径控制、TOTR对镜头的光学总长控制、DIMX对 Fig.2 Optimized lens structure 镜头视场的最大畸变量控制、MNCG,MXCG, 从优化后的结构图中看出,相比初始结构,该 MNEG对每个透镜的中心厚度和边缘厚度控制、 结构更简单了,镜片数由原来的9片变为8片,另 MNCA,MXCA,MNEA对透镜间的中心空气厚 外,非球面数由原来的3面变为现在的2面,而且 度和边缘空气厚度控制、REAY对入射到像面的 均为低次的轴对称非球面,更有利于加工与检测。 光线控制(可以减少像差,提高成像质量)、FCGT 该结构中第三面与第十四面为非球面,其中第三 和FCGS分别对子午和弧矢方向上视场的场曲控 面为椭球面,第十四面为四次的偶次非球面。 制。SPHA,COMA,ASTI,AXCL和LACL分别 下面根据该结构的像差和性能分析图[1。。,同 对初级球差、初级彗差、初级像散、初级轴向色差 时结合设计指标来分析其合理性。图3为该结构 ・1124・ 应用光学201I,32(6)李维善,等:基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计 的MTF曲线,横坐标为空间频率,纵坐标为MTF 最大视场:4O度 值的大小。从图中可以看出在镜头的分辨率 RIRY RIRY 66 lp/mm处该微型投影物镜各个视场上的MTF _、、 值。中心视场的MTF值大于0.75,0.707视场以 : 内的子午和弧矢MTF值均大于0.5,边缘视场以 内的子午和弧矢MTF值均大于0.45。各个视场 / 的MTF值都大于0.4,满足设计指标的要求。 …~~, TS凹.08艘G 鸭|7o0DEG 。 惶黠 t; lI 韩 c 1.U 0.9 O-8 图5垂轴色差曲线图 0.7 Fig.5 Lateral chromatic aberration ,0.6 山l0.5 皇0.4 0.3 1.0 0.2 0.9 O.1 O.8 ……. u0 6.6 13.21空间频+9.826.334率,l39. 646252 . . 8594 66. D・mm POLYGHROMATI(:DIFFRACTICN MTF 蜷 0.4 SURFAEI Irf r … ,。  0.3 O.2 0.1 图3 MTF曲线圈 …0 4.03 8.136 12.09 l&122o.1524.18 28.2132.24 36.27 4030 Fig.3 Curve of MTF 视场/(。) lieI A I l VE 1LLI』MINATIUN 图4为该结构的场曲、畸变特性曲线,横坐标 EB 220w 1lH:0 RIu  ll… _u 旧曼  .…邮 表示畸变的大小,以百分数形式表示,纵坐标表示 视场大小。从图中可以看出,该微型投影物镜在 图6相对照度曲线图 Fig.6 Relative illumination 整个视场内的畸变量的绝对值小于0.7 ,满足设 通过以上分析,本文设计的单片DLP微型投 计指标的要求。 影物镜的结构和技术指标都达到了要求。 ss s 皿 YT + Y . 。7—、: 4 结束语 微型投影镜头具有大视场、大相对孔径、长后 工作距离、小型化和轻重量等特点,其中小型化和 轻重量是镜头设计中的较大难点。在结构中加入 非球面,不但可以减少结构中透镜的数量,缩小最 一0‘加 0‘ ,mm , % 大口径的尺寸和光学系统总长且减轻重量,同时 GRE瞄 1还可以有效地平衡轴外像差,提高光学系统的相 WAvELEN(;THs:()!生矗生0 25I 蹲崇 丧婴 对孔径,扩大视场角。本文利用ZEMAX光学软 图4场曲、畸变曲线图 件实际设计出了一款成像质量高、结构简单、体形 Fig.4 Field curvature and distortion 小、加工难度低、生产成本低的单片DLP微型投影 图5为该结构的垂轴色差曲线,横坐标表示垂 镜头。这款微型投影镜头的最大口径小于24ram, 轴色差的范围,纵坐标表示视场大小。从图中看 光学总长控制在40ram,相对孔径为I/2.2,视场 出,系统的垂轴色差为3.3 m,符合设计指标要求 角达到80.5。,在600mm的投射距离处可以投射 的小于0.5 pixel,即3.82 m。 40”的画面。镜头结构由6组8片镜片组成,其中 图6为结构的相对照度曲线,横坐标表示视场 六片为价格便宜并且国内经常使用的球面光学玻 的范围,纵坐标表示相对照度的大小。从图中看 璃,两片为容易加工的非球面光学塑料(PMMA)。 出,系统最大视场内的相对照度均大于93 ,满足 该款微型投影镜头更适合于大批量的规模化生 了设计指标要求的大于9O 。 产,可以很好地满足微型投影市场的需求。 应用光学2011,32(6) 李维善,等:基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计 ・1125・ 参考文献: 设计[J].应用光学,2010,31(1):34—38. 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