搜索基于ZEMAX軟件的短焦數(shù)字投影鏡頭的設(shè)計(jì)
2020-01-31 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要:利用ZEMAX光學(xué)軟件設(shè)計(jì)了一款適用于部分2.03cm(0.8英寸)單片DLP投影機(jī)機(jī)型的短焦(廣角)數(shù)字投影鏡頭。該鏡頭結(jié)構(gòu)由10片透鏡組成,具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、易加工等特點(diǎn)。鏡頭的全視場角2w達(dá)到80°,相對孔徑約為1/2.1,有效焦距約為12.7mm,等效后截距約為37mm,其投射比約為0.78/1,即1m的投射距離可以投射出160.02cm(63英寸)的畫面。鏡頭有較好的成像質(zhì)量,在分辨率極限35lp/mm處,0.7視場以內(nèi)的MTF值均大于0.35,在1/2分辨率極限處大部分視場的MTF值大于0.7,全視場畸變量的絕對值小于3%。
關(guān)鍵詞:光學(xué)設(shè)計(jì);投影鏡頭;ZEMAX;分辨率;MTF
引言
投影機(jī)和屏幕間的距離與畫面尺寸成正比,投影機(jī)離屏幕越近,投射出的畫面尺寸越小,反之,畫面則越大。如果投影空間并不大,但是又需要展示一個較大的畫面,就不得不將投影機(jī)放在空間的最后面,尤其在小型會議上,人們只能圍坐在投影機(jī)的周圍忍受著眼前耀眼的光線和風(fēng)扇的噪音進(jìn)行會議演示和交流。如果屏幕前的演講者無意中時不時地遮擋住光線,臺下觀看的人更會因此受到很大影響。于是,在有限的空間內(nèi)以最短的距離實(shí)現(xiàn)最大的清晰畫面便成為了當(dāng)今以及未來實(shí)際應(yīng)用中一個新的需求所在。
通常情況下,一般的投影機(jī)只配備了標(biāo)準(zhǔn)鏡頭,這樣的投影機(jī)如果要投出152.4cm(60英寸)的畫面需要將投影機(jī)放置在2.2m遠(yuǎn)的地方,203.2cm(80英寸)則要2.6m,254cm(100英寸)則要達(dá)到3m~4m。而配備了短焦鏡頭的投影機(jī),投影的距離可以大大縮短,1m就可以投射出152.4cm的畫面,1.7m投射254cm畫面,而且還減輕了亮度不足的問題。
應(yīng)市場需求,大量的短焦投影鏡頭浮出于市。本文基于ZEMAX軟件設(shè)計(jì)出了一款焦距為12.6914mm,相對孔徑為1/2.0981,視場角達(dá)到80°的短焦數(shù)字投影鏡頭,它在1m的投影距離可以投射出160.02cm(63英寸)的畫面。
1.設(shè)計(jì)指標(biāo)
要求鏡頭的最大視場角達(dá)到80°,相對孔徑(D/f′)控制在1/2.2以上,工作距離大于37mm,有效焦距控制在12mm~14mm之間,適用于芯片為2.03cm的單片DLP短焦數(shù)字投影機(jī),投射畫面比為4∶3,鏡頭外徑控制在100mm以內(nèi),總長控制在150mm以內(nèi)。
2.設(shè)計(jì)過程
2.1.設(shè)計(jì)思路
根據(jù)光路可逆性,設(shè)計(jì)鏡頭時,采用反向光路的設(shè)計(jì)方法,即在設(shè)計(jì)過程中把實(shí)際投影中的物(2.03cm芯片)當(dāng)作像,把實(shí)際的投影畫面(投影屏)當(dāng)作物。另外,各類數(shù)字投影機(jī)中均含有光學(xué)引擎,所以設(shè)計(jì)時應(yīng)把棱鏡考慮在內(nèi)。
2.2.選擇初始結(jié)構(gòu)
短焦數(shù)字投影鏡頭就是要在較短的距離內(nèi)投射出盡可能大的投影面積,同時,數(shù)字投影機(jī)內(nèi)部都含有一定的光學(xué)引擎,這就要求了這種結(jié)構(gòu)要具有大視場、長工作距離的特點(diǎn),而反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)(焦距較短,后截距很長)恰恰滿足這些要求[1]。反遠(yuǎn)距物鏡一般由負(fù)的前組鏡和正的后組鏡組成,這類結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,通常,前組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度由視場決定,后組的復(fù)雜程度由相對孔徑?jīng)Q定[2]。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)指標(biāo)從現(xiàn)有的反遠(yuǎn)距型結(jié)構(gòu)中選擇一種作為該設(shè)計(jì)鏡頭的初始結(jié)構(gòu)。我們選擇了一種2組12片的初始結(jié)構(gòu),如圖1所示,有效焦距(E.F.L)為15.98mm,后截距(B.F.L)為41,F數(shù)(相對孔徑倒數(shù))為2.2,全視場角(2w)為78°。這與設(shè)計(jì)目標(biāo)有一定差別,接下來用ZEMAX軟件對其進(jìn)行設(shè)定和優(yōu)化,使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
圖1.初始結(jié)構(gòu)
2.3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化
用ZEMAX進(jìn)行設(shè)定優(yōu)化,使得各種參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其過程如下:
1)首先對這個結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮焦;
2)將每個透鏡的半徑、厚度以及空氣間隔設(shè)為可變量;
3)在最后一個透鏡的后方加入一個厚度為24mm、玻璃牌號為H-K9L的棱鏡;
4)在ZEMAX的MeritFunctionEditor中,用各種操作數(shù)對鏡頭的基本參數(shù)、外形尺寸進(jìn)行限制,如用EFFL對鏡頭的有效焦距進(jìn)行限制,用EXPP對鏡頭的出瞳位置進(jìn)行限制,用DMLT和TOTR分別對鏡頭的最大口徑和總長度進(jìn)行限制;
5)用MNCG,MXCG,MNEG操作數(shù)對每個透鏡的中心厚度和邊緣厚度進(jìn)行控制,用MNCA,MXCA,MNEA操作數(shù)對各透鏡間的中心空氣厚度和邊緣空氣厚度進(jìn)行控制;
6)用REAY操作數(shù)對入射到像面的光線進(jìn)行控制,以減少像差,提高成像質(zhì)量;
7)用DIMX操作數(shù)對視場的畸變進(jìn)行控制;
8)用FCGT和FCGS操作數(shù)分別對子午和弧矢方向上視場的場曲進(jìn)行控制;
9)在評價函數(shù)中自建立控制操作符對整個系統(tǒng)的球差和軸向色差進(jìn)行控制[3]。
2.4.優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。半視場為40°,F數(shù)(f′/D)為2.2,有效焦距約為12.7mm,等效后截距約為37mm,外徑約為89.0mm,總長度(不包含棱鏡)為130.0mm,像高10.23mm×2=20.46mm,由于所適用投影機(jī)的芯片大小為20.3mm,所以像的尺寸和芯片大小基本吻合。
圖2.優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)
優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo),它的光學(xué)傳遞特性與像差如圖3和圖4所示。
圖3.鏡頭的MTF
圖4.光線像差
從圖3和圖4可以看出,該設(shè)計(jì)鏡頭有較高的成像質(zhì)量,整個系統(tǒng)的像差都得到了較好的控制,特別是在中心視場和0.7視場以內(nèi)的像差得到了更好的控制。優(yōu)化后鏡頭的技術(shù)指標(biāo)和整體像差都滿足了實(shí)際的應(yīng)用要求,但是它的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,由12片鏡片組成,而且12片中含有較多鑭系的玻璃,這些玻璃的價格相對較昂貴,均為很少使用的玻璃[4],這些都大大增加了實(shí)際的生產(chǎn)成本,另外,鏡頭的鏡片數(shù)目越多,對光能量的損失越多,這就大大降低了投影畫面的亮度,因此要對這個鏡頭做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)簡化以及玻璃材料的替換,降低生產(chǎn)成本。
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