第39卷第4期2017年8月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol. 39，No. 4August, 2017文章编号：1005-5630(2017)04-0049-05广角微型投影镜头设计林正，徐苗，余华恩，邵晓萍，梁秀玲(福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室福建省光子技术重点实验室，福建福州350007)摘要：投影机更新速度快，高分辨率、轻便微小的投影机已是时代的需求。
通过分析微型投影成像 系统的特点，根据几何光学理论，用Zemax软件设计了一款投影显示芯片为0. 61 inch(l inch =2. 54 cm)、投射比为0. 68:1的微型投影镜头。
镜头由2片非球面透镜和6片常用玻璃材料透镜组 成，结构简单，系统光学总长为60 mrn，有效焦距为9. 26 mrn，后工作距离大于20 mrn，最大口径小 于23 mm,全视场（FOV)为80°，相对孔径为1:2. 2。
在71 lp/m m特征频率处，全视场的调制传递 函数均大于0. 5,全视场相对畸变小于2. 0%，镜头成像质量好。
对微型投影系统进行容差分析，得出一套较为宽松的公差，适合生产加工。
关键词：光学设计；广角镜头；非球面透镜；微型投影机中图分类号：TN 202 文献标志码：A d o i:10. 3969/j. issa 1005-5630. 2017. 04. 008Design of wide-angle mini-projector lensLIN Zheng, XU Miao, YU Huaen, SHAO Xiaoping, LIANG Xiuling(F ujian Provincial K ey Laboratory of Photonics Technology，K e y Laboratory of 〇pto-Electronic Science and Technology fo r M edicine，M in is try of Education, College of Photonic and Electronic Engineering, Fujian N orm al U n ive rsity, Fuzhou 350007, China)Abstract：The projector technology develops quickly, and current projectors have high resolution and small volume. The light mini-projector is required. By analyzing the features of the mini-projector imaging system and according to the theory of geometrical optics? we design a mini-projector lens with Zemax. The projection display chip size is 0. 61 inch (1 inch=2. 54 cm) and the projection ratio is 0. 68:1. It is composed of 2 plastic aspheric lenses and 6 common glass lenses with simple structure. Its total length is 60 mm. The effect focal length is 9. 26 mm and the back working distance is more than 20 mm. The largest diameter is less than 23 mm?the field of view (FOV) is 80°，and the relative aperture is 1:2. 2. Its modulated transfer function in full field is highter than 0. 5 at 71 lp/mm. The relative full-FOV distortion of the lens is less than 2. 0%. The imaging quality of the lens is good. Based on the tolerance analysis of the system, a set of loose machining tolerance is achieved.Keywords：optical design；wide-angle lens；aspheric lens；mini-projector收稿日期：2016-10-13基金项目：福州市校科技合作项目（2016-G-46);教育部长江学者和创新团队发展计划(IR T_15R10)作者简介：林正(1992 )，男，硕士研究生，主要从事光学设计方面的研究。
E-m a ih lzyx20l4h@163.co m通信作者：梁秀玲(1970 )，女，高级工程师，主要从事光学设计与光学检测方面的研究。
E-m a il:Xllia ng@fjnu.ed u.C n• 50 •光学仪器第39卷投影显示适应环境范围广，是一种对环境要求较低的投影显示技术，广泛应用于家庭会议、监控系 统、教室教学等显示环境[1]。
与平板和液晶显示相比，投影显示可以实现超大屏幕应用。
现今微电子产 品的发展迅速，简便轻型的投影系统已经成为主流，面对这一需求，微型投影技术正在快速崛起[2]，这种 技术的核心部件就是广角微型投影镜头。
广角微型投影镜头具有焦距小、尺寸短、视场大等特点，与传统投影镜头相比，广角投影镜头可以在 狭小的空间内投射出较大的的影像画面[1]，从而适应不同的投影场所，如空旷的商业场所或狭小的家庭 娱乐场所，也更方便携带。
本文设计了一种结构简单、外形尺寸小、清晰度高的广角微型投影镜头。
1设计思路1. 1设计指标投影距离为750 mm ，投影尺寸D 为50 inch(l inch=2. 54 cm )，显示芯片尺寸S 为0. 61 inch,整个系统倒向设计，则放大倍率为[3]S m -D 镜头焦距/为/_ L 1/m — 1则投影镜头视场角为D50 inch 750 mm 0. 0129. 26 mm 2w = 2arctan 〜80。
(1)(2)(3)式中:m 为放大倍率;S 为显示芯片尺寸;/为投影镜头焦距;D 为投影屏幕尺寸;L 为投影距离。
设计采用的LC 〇S 微显芯片尺寸为0. 61 inch(15. 4 mm )，有1 920X1 080个像元，像元大小为0. 007 _X0. 007 mm 。
为了使投影镜头的分辨率与芯片的分辨率更好地匹配，必须满足[«式中:为投影镜头的分辨率#为芯片单像素尺寸。
可知镜头的特征频率为71 lp/mm镜头的具体参数如表1所示。
表1镜头设计参数 Tab. 1 Design parameters of the lens显示芯片尺寸/in c h焦距/m m F 数全视场角/〇后工作距离/m m 相对畸变调制传递函数(@71 lp /n m 〇0. 619. 26 2.280>20<2%>0.51. 2初始结构选取微型投影镜头结构焦距短，光学总长较短，而且设计镜头的显示芯片尺寸为〇. 61 inch ，尺寸较大，要 有较大的视场，同时，在投影镜头与微显示器之间要放置偏振分束镜(PBS )，因此要留出足够的空间[5]。
这就要求系统具有较长的工作距离。
由于反远距镜头后工作距离大于系统焦距，具有焦距短、后截距长 的特点，恰好能满足投影镜头的要求，故采用反远距型结构[M]。
利用光学设计手册、期刊文献、美国CODE V光学设计软件等方式查找与参考指标接近的初始结第4期林正，等:广角微型投影镜头设计• 51 •构[2]。
图1、图2分别为镜头初始结构图和调制传递函数(M TF )曲线图，系统焦距为9. 25 mm ，视场角为 72°，F 数为2. 75,显示芯片尺寸为0. 37 inch ，与设计目标仍有较大的差距。
图1初始结构光学系统2D 图Fig. 1 2D primary structure of the optical system 图2初始结构的MTF 曲线Fig. 2 MTF of primary structure 1. 3优化设计设计投影系统时选择R G B 三基色设计镜头，它们的波长分别为464,525,617 nmW 。
根据设计要求 对光学系统的焦距进行缩放，使焦距为9. 26 mm ，将初始结构中的玻璃替换为成都光明环保玻璃M ，对初 始结构进行优化设计。
投影镜头为远心结构，必须严格控制镜头的远心度，故用操作数R A ID 控制系统 的远心度，使其为〇°，使用FCGS、F C S T 控制像面弯曲进行优化。
添加操作数提高M T FT 、M T F S 值并给 予适当的权重，用DIMX 、A XC L、L A C L 操作数控制畸变场区和色差。
在优化过程中，查看各种像差情 况，修改目标值和权重，不断对各种像差进行调控，同时在评价函数中自建立控制操作符以控制整个光学 系统的高级像差[9]。
最后使用了 2个非球面透镜，可以减轻重量，简化结构，进一步校正轴外像散、球差 和畸变[1°]，使之达到设计要求。
2像质分析经过优化，所设计系统的像差都控制在较小的范围内，系统光路结构图、调制传递函数曲线、场曲畸 变曲线、焦深曲线分别如图3〜6所示。
由图4可知，系统各个视场在71 lp /mm 条件下的M T F 值均大于 0.5,所有视场的传递函数曲线相对集中、平滑，镜头的对比度和锐度都比较好，可认为系统的成像质量较 好。
由图5可知，系统畸变最大值小于2. 0%，由图6可知，焦深曲线范围内M T F 大于0. 2，远心度几乎 为〇°，离焦量小，符合设计指标要求。
系统的像差，如球差、场曲、畸变等，都控制在较小的范围内，满足投 影物镜要求的像差容限，在全视场范围内系统成像情况比较理想。
图3优化后的系统结构图图4优化后的MTF 曲线图Fig. 3 System structure after optimization Fig. 4 MTF after optimization•52 •光学仪器第39卷图5优化后的场曲及畸变曲线图6优化后的焦深曲线Fig. 5 Field curvature and distortion curve after optimization Fig. 6 Focus shift curve of lens after optimization3公差分析一款设计好的镜头能否进行生产加工，其中一个重要的因素是各个透镜尺寸的敏感度。
![一种用于0.47DMD芯片的变焦投影镜头[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/13a9febb85868762caaedd3383c4bb4cf6ecb755.png)
