短焦数字投影镜头的光学设计

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1、第４０卷第１２期光子学报Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１２２０１１年１２月ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＤｅｃｅｍｂｅｒ２０１１文章编号：１００４－４２１３（２０１１）１２－１８５５－５短焦数字投影镜头的光学设计陈琛，李维善，张禹，刘宵婵（秦皇岛视听机械研究所，河北秦皇岛０６６０００）摘要：为了满足短焦投影市场的需求，利用ＺＥＭＡＸ光学软件开发设计出了一款适用于０．８英寸单片数字光处理投影机的短焦数字投影镜头．该镜头总长１７２．６ｍｍ，全口径７０ｍｍ，采用反远距结构，由６组７片透镜组成，其中包括６片玻璃透镜

2、和１片塑料透镜（两个偶次非球面）．镜头全视场达到８０°，相对孔径为１／２．１，反远比（工作距离／焦距）为３．１７∶１，投射比达到０．７６∶１，在空间频率极限３７ｌｐ／ｍｍ处，０．７０７以内视场的调制传递函数值均大于０．６，垂轴色差小于３．５μｍ，在０．５像素尺寸之内，全视场畸变低于１．１％．该镜头具有结构简单、体形小、易加工、成本低等优点．关键词：光学设计；短焦；数字投影镜头；反远距结构；非球面中图分类号：ＴＮ２０２；Ｏ４３９文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１１４０１２．１８５５０引言

3、１设计思想投影机以其能够投射大尺寸画面而深受青睐．短焦数字投影镜头要求在较短的距离内投射近几年，很多用户都想通过使用投影机来组建自己出尽可能大的投影面积，同时，数字投影机内部都的家庭影院，从而体验到１００英寸以上的大画面．相含有一定的光学引擎，这就决定了该种镜头结构要比于电视机，投影机需要吊装在房顶，或者是放置在具有大视场、长工作距离的特点．另外，镜头轴上像［１］′桌面上使用．不仅安装需要提前布线，投射画面的大点照度与相对孔径的平方成正比，即Ｅ０≈小也要受制于投影距离，投影机的焦距问题也成为２′为轴上像

4、点的照度，τ为０．２５τπＢ（Ｄ／ｆ′）．式中，Ｅ０阻碍其发展的重要原因．为此，短焦设计成为解决这光学系统的透过率，Ｂ为与像点共轭的物点亮度，Ｄ一瓶颈的关键技术．经过近两年的发展，短焦投影机为镜头入瞳直径，ｆ为镜头焦距．因此，相对孔径的带来的便利性与实用性解决了很多使用普通投影机大小决定了像平面上中心点的照度．对于轴外像点出现的安装难题．的照度，Ｅ′′４′［７］，其中，Ｅ′为轴外像点的ｗ＝Ｅ０ｃｏｓｗｗ目前市场上流行最多的是投射比为０．８∶１（全照度，ｗ′是相应的像方视场角．所以，轴外像点的照视场角为７

5、４°）的短焦镜头．对于更小投射比（在一度也受相对孔径平方值的调制．为了满足投射像面定的投射距离，投射比越小，投射画面越大）的短焦一定的照度要求，必然决定了该种镜头具有大的相镜头，国内市场上极少；而国外的短焦数字镜头结构对孔径．复杂，价格昂贵．根据分析，短焦数字投影镜头具有大视场角、大本文基于对数字光处理（ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔ相对孔径和长后工作距离（反远比大）的特点．而反［１－２］Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＤＰＬ）投影技术以及现有短焦投影远距结构具有大视场、像面边缘照度大、长后工作距［３－６］镜头结构的深

6、入研究．首先讨论了短焦数字投影离（反远比大）的特点，能够比较好地满足该种镜头［８］镜头的光学设计思想；从设计思想出发，确定初始结的要求．反远距结构是一种严重失对称的光学结构，利用ＺＥＭＡＸ光学设计软件进行优化设计；最构，它是由负的前组和正的后组组成的结构．其光阑终设计出了一款投射比为０．７６∶１（全视场为８０°）常常设在正组中间，所以负前组远离光栏，轴外光束的适用于单片ＤＬＰ数字投影机的短焦数字投影有较大的入射高度，产生了较大的初级轴外像差和镜头．高级轴外像差，前组产生的轴外像差力求由本身解基金项目：科

7、技部科研院所技术开发研究专项资金（Ｎｏ．２０１０ＥＧ１１９１６１，Ｎｏ．２０１１ＥＧ１１９１９９）和国家科技部科技型中小企业技术创新基金（Ｎｏ．１０Ｃ２６２１１３０３６７８）资助第一作者：陈琛（１９６８－），男，教授级高级工程师，硕士，主要研究方向为光学设计．Ｅｍａｉｌ：Ｃｈｅｎｃｈｅｎ６＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ收稿日期：２０１１０７２９；修回日期：２０１１１０１０１８５６光子学报４０卷决，剩余的量可以由后组补偿，尤其是垂轴像差ＳⅡ对于前组，其远离光阑的负透镜会产生较大的（初级慧差）、ＳＶ（初级畸变）和ＣⅡ（

8、初级倍率色差）正畸变和正慧差，使系统象差难以校正．设计时在前需要后组给予补偿，所以采用不对称的结构型式更组加入一个正透镜，不仅有利于分散光焦度，还能减［７］为合理．小前组的ＳⅡ、ＳⅤ，降低高级象差量．另外，设计时使本文通过反远距结构的高斯光学对其前后组分前组各透镜弯向光阑，整个前组结构尽量紧凑，这样别进行讨论分析．该结构由负的前组和正的后组组更有利于增大视场角．成（如图１），规化条件：ｈ１＝ｆ′＝１，ｕｚ１＝－１，则ｊ＝１．对于后组，由于大