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l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计中文摘要 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 中文摘要 目前背投电视的发展趋于大屏幕、轻薄机身、高分辨和视觉效果逼真，投影物镜 是投影电视的核心部件之一，作为投影成像器件，要求在很小的距离内实现高放大倍 率和无畸变清晰成像。 本文首先根据以往物镜的设计经验，分析投影光学系统的结构选择，推导出反远 距远心物镜结构参数的关系式，据此讨论和给出投影物镜一级光学参数分配方法。然 后，根据背投电视发展趋势，提出一套投影物镜设计指标，借助光学设计软件设计得 到了两款适用于高端背投电视产品的投影物镜，给出了设计结果以及像质评价。与国 内外现有同类型物镜相比，此两款物镜具有结构紧凑、成像质量好、采用国内常用玻 璃和使用非球面透镜数量少等优点。非球面透镜材料采用光学塑料，有利于大规模生 产。最后，以其中一款投影物镜为例进行公差分析，结果表明所设计得到的投影物镜 具有较好的工艺性。 针对现有背投电视结构上的缺点，本文介绍了一种应用倾斜投射方式实现背投电 视超薄结构的思想，探讨了此种新型系统的工作原理，并得到了初步设计结果。 关键词：l c o s ；背投电视；投影物镜；光学设计 作者：陆国华 指导教师：沈为民 d e s i g no fw i d ea n g l ep r o j e c t i o nl e n sf o rl c o sr e a r - p r o j e c t i 塑! ! 堕生翌壁墨! 堡塑塑璺坠垫墨! 翌塑堡垒竖! ! 堕 d e s i g no fw i d ea n g l ep r o je c t i o nl e n s e sf o rl c o sr e a r - p r o j e c t i o n t vs e t sw i t hal a r g es c r e e na n dc o m p a c ts t r u c t u r e a b s t r a c t t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fr e a r - p r o j e c t i o nt v st e n d sh i g h e rr e s o l u t i o n ，l a r g e r s c r e e ns i z e ，c o m p a c tc o n s t r u c t i o na n db r i g h t e rc o l o u r t h ep r o j e c t i o nl e n si st h ec o r ep a r t o far e a r - p r o j e c t i o nt v a si t si m a g i n gu n i t ，t h el e n ss h o u l df o r mah i 曲d e f i n i t i o na n d f r e e - d i s t o r t i o ni m a g ew i t hh i g hm a g n i f i c a t i o nb e t w e e nas h o r tc o n j u g a t ed i s t a n c e i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ed e s i g ne x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo fo b j e c t i v e s ，t h ec h o i c e a b o u tt h ef o r mo fp r o j e c t i o no p t i c a ls y s t e mi sa n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fat e l e c e n t r i cr e t r o f o c u sl e n si sd e d u c e da n dd i s c u s s e d a n dt h e m e t h o dt od e t e r m i n a t ei t sf i r s t o r d e rp a r a m e t e r si sg i v e na n dd i s c u s s e d t h e na c c o r d i n gt o t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fr e a r p r o j e c t i o nt v ，as e to fe x p e c t e dd e s i g ni n d e xo fi t s p r o j e c t i o nl e n si sp r e s c r i b e d t w oo b j e c t i v e st h a ta r eb o t hs u i t a b l ef o rh i 曲一l e v e lp r o j e c t i o n t e l e v i s i o ns e t sa r eo b t m n e dw i t hh e l po fa no p t i c a ld e s i g ns o f t w a r e t h e i ro p t i m a lr e s u l t s a n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n sa r eg i v e ni nd e t a i l 1 1 1 e yh a v et h ea d v a n t a g e so fc o m p a c t n e s s a n dh i 曲i m a g i n gp e r f o r m a n c e ，b u ti n c l u d ef e w e ra s p h e r i cs u r f a c e sa n dm a k eo fd o m e s t i c n o r m a lg l a s s e s t h ea s p h e r i cl e n s e sm a k eo fp m m as ot h a tt h e yf i tf o rm a s sp r o d u c t i o n f i n a l l y ，t h et o l e r a n c eo fo n ed e s i g n e dl e n si sa n a l y s e da n da s s i g n e d i ti ss h o w n t h a tt h e d e s i g n e dp r o j e c t i o no b j e c t i v e sc a nb em a n u f a c t u r e dw i t hc u f r e n ta r t m o r e o v e r ，an e wt y p eo ft i l tp r o j e c t i o nl e n st oa c t u a l i z el a r g es c r e e na n du l t r a - t h i n r e a r - p r o j e c t i o ns t r u c t u r ei si n t r o d u c e d i t sb a s i cp r i n c i p l ei se x p o u n d e d a sa ne x a m p l ea l l i n i t i a l l yd e s i g n e dt i l tp r o j e c t i o nl e n si sg i v e n k e yw o r d s ：l c o s ；r e a r - p r o j e c t i o nt v ；p r o j e c t i o nl e n s ； o p t i c a ld e s i g n i i w r i t t e nb yl u g u o h u a s u p e r v i s e db y s h e nw e i m i n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：警园翠 e t 学位论文使用授权声明 期：鲨呈竺二竖 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：垡蹬 铷签名：毕叠l 日期：竺兰竺二! 三 日期：塑星二! 主 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 据市场调查公司数字显示【l 】，我国2 0 0 7 年4 0 寸以上的大屏幕电视的销售量 已经达到3 0 0 万台，预计到2 0 1 2 年，需求量将会接近1 4 0 0 万台。 目前高端大尺寸电视主要分为以下两种类型： 只、韩、台掌控着液晶平板的核心技术，经过多年的高速发展，形成了难以 撼动的全球产业格局，三星、l g 、友达等全球五大厂商在液晶上投资超过1 5 0 0 亿美元。但由于液晶技术本身的原因，屏幕越大，投入成倍增长，被业界称为是“用 美元烧开水”。最近调查表吲2 j ：国内外面板厂处于亏损或盈利大幅下降情况，中 国整个电视行业的整机厂在液晶业务方面处于亏损状态。 等离子电视投资大、屏幕成本极高和不大可能实现高清，而其大的功耗和环 境污染，决定了不可能得到大的发展。 d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 是美国德州仪器( t i ) 公司独家垄断的产品，除 了实现高清较为困难外，还存在其单片式显示方式引起的视觉疲劳问题【3 】。 l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 可视为l c d 的一个分支，l c d 投影技术采用 透射型工作方式，l c o s 属于反射型工作方式，透射型与反射型的差异在于光路方 向( 图1 一1 ) 。普通的l c d 需在每个像素面积内划出一个区域来制成场效应三极 管和电容，由于普通的l c d 是在玻璃基板非晶硅膜层上制成的，非晶硅或多晶硅 层上制作场效应管时电子迁移率低，故场效应管等有源器件所占的面积较大， l c o s 大肼幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第一帝绪论 l c o s 贝u 采用单晶硅，其电子迁移率较非晶硅或多晶硅高得多，所以场效应管等有 源器件面积可制成很小，开口率很高，达9 6 以上。 图l 一1l c d 和l c o s 的成像原理 l c o s 的优点在于它出色的对比度和层次感，同时在价格上也有绝对的竞争 力，其生产线的投资成本仅需一条七代液晶生产线投资成本的十分之一，尤其是在 大尺寸领域，如等离子电视，如果从4 0 寸增大到6 0 寸，价格会增加三倍以上。 而l c o s 的成本基本不会受到尺寸影响，据业界权威机构分析，以6 0 寸大尺寸 电视为例，l c o s 背投的价格将会比等离子电视低3 0 。 长期以来，由于缺乏核心技术我国的电视产业一直处于受制与人的局面，而 l c o s 技术是开放的，没有被国外少数企业垄断。不像h t p s - - l c d 被同本s o n y 与s e i k oe p s o n 垄断，d l p 被美国t i 公司垄断。l c o s 完全可以自主开发，我 国一些单位自主研发的l c o s 己取得很大进展。且国外负责研发l c o s 的技术人 员大多是华人，目前国外研发和生产l c o s 的企业都在积极与我国合作。发展 l c o s 背投电视对于我国的电视产业具有非常重要的意义。 投影物镜是背投电视光机的一个重要部分，作为投影光机的成像器件，在很 大程度上决定了一款光机的成像质量和电视的结构布局，是投影光机的重要组成 部分，具有极大的发展空间。目前市场上的大屏幕电视趋向于大尺寸，高分辨率 以及超薄机身，即其对投影镜头的要求是要在较小的投影距离内实现很大的放大 倍数且要求成像清晰无畸变，这是光机设计中的难点，是光机产业化的瓶颈之一。 本文就针对此种背投产品开发一款适用于6 7 ”l c o s 大屏幕薄型背投电视的投影 物镜，通过对此类物镜产品的研发生产将有助于我国对光机核心技术的掌握，从 2 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第一章绪论 而真正实现高端大屏幕电视产品的产业化。 1 2l c o s 背投电视原理简介 1 2 1 背投电视原理简介 在投影显示设备中，按其投影方式不同分为正投影( f r o n tp r o j e c t i o n ) 和背 投影( r e a rp r o j e c t i o n ) 两种方式。 j 下投影机：观察者和投影机位于投影屏的同一侧( j 下投影机又名前投影机) 。 背投影机：观察者和投影机位于投影屏的两侧。 背投电视就是应用背投影机原理，简单来说是将投影机安装在机身内的底部， 图像信号经过反射，投射到半透明的屏幕背面显像( 图1 - - 2 ) 。 屏 、 k 一一桫 q 投影物镜 反射镜 图1 2 背投电视原理图 1 2 2l o o s 背投电视的光学引擎 l c o s 光学引擎是l c o s 背投电视的核心部分，直接决定了l c o s 背投的性 能。l c o s 光学引擎由照明系统、分合光系统、投影物镜系统、液晶面板驱动、 u h p 灯电源电路板、散热系统和结构件所组成，其中，投影物镜起着举足轻重的 作用，它不仅要与光学引擎中的照明系统设计紧密配合，还极大地影响着整个光 学系统的成像质量。 l c o s 背投电视的光学引擎从结构角度上可以分为单片式和三片式两种。 ( 1 ) 单片式光学引擎 单片式光学引擎是以快速旋转的色轮将白光形成循序的红、蓝、绿光，并将 三原色光与驱动程序产生的红、蓝、绿画面，同步形成分色影像，再藉由人眼视 l c o s 人屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第一章绪论 觉暂留的特性，最后产生彩色的投影画面( 图1 3 ) 。类似的技术有：d i s p l a y t e c h 发表的场时序彩色( f i e l ds e q u e n t i a lc o l o r ) 、p h i l i p 所采用的卷进式彩色体系 ( s c r o l l i n gc o l o r r o t a t i n gp r i s m ) 、及j v c 采用的空间彩色全息照相( s p a t i a l c o l o r - h o l o g r a m ) 。 图1 - - 3 单片式c o l o rw h e e l 光学引擎架构 单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，分光、合光的系统架构比较简 单，在成本上较具竞争优势，光学引擎的空间也相对较小。然而目前在技术上面 临一些困难，以色轮而言，白光经色轮后的光能量仅为先前的三分之一，亮度明 显降低；此外，由于l c o s 面板得在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，因 此面板反应速度的要求更高，使得生产的难度也相应提高。 ( 2 ) 三片式光学引擎 l c o s 光学引擎目前以三片式为主，如图l 一4 所示，分光棱镜将光束分为红、 蓝、绿光后，分别将光束投射到三片l c o s 面板，将投射出的三色影像经过合光 系统加以结合形成彩色影像。三片式l c o s 光学引擎需要三片面板，以及分光、 合光光学系统，体积较大、成本也较高，不过可达到较高的光学效率，和高画质， 主要用于高端产品。 i ： 图1 4 三片式光学引擎架构 4 鼋o 幻h h 皂 张 酷 一声 p = l ，；遥一m 鬣 i 闺 莉蕾 曩一 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第一章绪论 1 3l c o s 背投电视投影物镜的国内外发展现状 目前国际上的大屏幕电视趋向于大尺寸，轻薄机身，高分辨率和逼真视觉效 果，要求投影物镜具有广角视场、短投影距离、且成像清晰无畸变，同时镜筒尺 寸要小。考虑到成本因素，应尽可能的使用少的镜片和廉价的光学材料。从光学 设计的角度来看，以上各种因素的综合是此种类型投影物镜的设计难点。 国内关于背投电视广角投影物镜的报道较少，文献【4 】报道了一款使用l c o s 的6 5 ”背投电视投影物镜，结构如图l 一5 所示，其全视场9 2 5 0 ，采用弯角 结构设计，光学总长2 3 2 5 m m ，用一个非球面，共使用9 片镜片，其中两片镜 片使用了昂贵的超低色散玻璃，而其余玻璃则绝大部分使用国内较少采用的特殊 玻璃。 图1 - 5 文献【3 】中报道的投影物镜结构图 国外文献【5 报道了一款适用于d l p 的6 7 ”背投电视投影物镜，结构如图图 1 6 所示，其全视场9 6 0 ，采用弯角结构设计，光学总长2 4 0 7 6 9 m m ，使用9 片 镜片，用了多达4 个非球面。 图1 - - 6 国外文献【5 】中报道的投影物镜结构图 可以看出，大屏幕背投电视投影物镜结构都比较复杂，设计者往往通过大量 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第一章绪论 使用特殊材料或非球面来得到物镜高的成像质量，但另一方面使生产成本增加。 1 4 主要研究内容 本文首先介绍一款适用于6 7 ”l c o s 大屏幕薄型背投电视的投影物镜设计。 根据以往物镜的设计经验【6 罐】，分析远心光路的反远距物镜结构参数，讨论其对结 构的影响。然后讨论设计指标和设计思想。最后设计出视场角和光学总长与文献 【5 】所报道物镜相当，但仅甩二个非球面和国内常用光学玻璃的投影物镜，并给出 像质评价。 针对现有背投电视存在的缺点，介绍一款倾斜投影式超薄背投电视光学系统 的原理，并给出初步设计结构。 6 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第二章广角投影物镜设计理论 第二章广角投影物镜设计理论 2 1 投影物镜的选型分析 2 1 1 投影物镜种类与结构 投影物镜是较大相对孔径大视场系统，其结构型式随着相对孔径和视场角的 不同而变化繁多，也比较复杂。下面就一些主要的投影物镜基本结构型式及其像 差特点做一些介绍。 a 匹兹万物镜 匹兹力物镜由两个彼此分离的正光焦度透镜组组成，如图2 1 所示，它所能 适应的孔径为1 ：1 8 ，适用1 6 0 以下的视场。 ， 由于物镜光焦度由两组共同承担，各组光焦度减小，球面曲率不会过大，这 对球差的校f 是很有利的。但是，正因为两个分离的透镜组均为正光焦度，根据 1 两个薄透镜时匹兹万和数公式( 勋= j 2 二( 仍+ 仍) ) ，匹兹万场曲增大。为了减小匹 玎 兹万场曲，可以将透镜组中f 透镜尽可能地采用高折射率玻璃，负透镜采用低折 射率玻璃。但是折射率的减小在另一方面将使球差的校正变得困难。目前比较常 用的方法是在像面附近增加一组负透镜，如图2 2 所示，使匹兹力场曲得到完全 校正，同时还可以用这块负透镜的弯曲来平衡整个物镜的畸变。它的缺点是工作 距离太短，只能用在短工作距条件下。 m 图2 1 匹兹万物镜 7 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第二章广角投影物镜设计理论 图2 2 像面附近增加一组负透镜的匹兹万物镜 b 柯克物镜( 三片式物镜) 及其改进型 柯克物镜由三片透镜组成，见图2 3 所示，且光焦度按“正一负一j 下”次序排 列，并在负透镜附近设置孔径光阑。它所能适应的孔径是1 ：4 5 ，视场是5 0 0 。 它有八个变量，即六个半径和两个间隔，在用其中一个变量来满足焦距要求后， 其余七个变量正好可以用来校正七种初级像差，柯克物镜是薄透镜系统中能够校 正全部七种初级像差的最简单结构。 图2 - - 3 柯克物镜 但是，三片式的透镜结构参数少无法校正高级像差，其具有较大的高级负像 散和轴外正球差。若把最后一片正透镜组改为双胶合镜组，轴外光线中以上光线 在胶合面上有最大入射角，可造成高级像差和轴外球差的减小。这就是天塞物镜， 见图2 4 。它的最大孔径可以达到1 ：3 5 1 ：2 8 ，视场角为5 0 0 , - - , 5 5 0 。若把柯 克物镜中的两片正透镜都改成双胶合透镜型式，就成为了海利亚物镜，见图2 5 。 由于使用了两个胶合面，更有利于高级像散和轴外球差的控制，是像质得到进一 步提高。 l c o s 人屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第二章广角投影物镜设计理论 图2 4 天塞物镜图2 5 海利亚物镜 如果在三片型物镜前两片之间引入一片接近不晕的f 透镜，使光束进入中间 负透镜之前就得到收敛，这样可以增大相对孔径，这种透镜称为松纳型物镜，见 图2 - - 6 。但正透镜的引入同时又增大了s 矿，使系统失去对称性，给垂轴像差尤 其是轴外慧差和色差的校正带来了困难，因此松纳物镜的视场只有2 0 。 - - - 3 0 。 图2 - 6 松纳物镜 c 双高斯物镜 双高斯物镜是目前大视场大相对孔径物镜所广为采用的基本结构型式，它是 一种对称型结构，其半部结构由弯月型厚透镜和分离的正透镜组成，如图2 7 所示。典型的双高斯物镜，相对孔径为1 ：2 1 ：1 7 ，视场角为4 0 0 , - - 5 0 0 。 图2 7 双高斯物镜 9 l c 0 s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第一二章广角投影物镜设计理论 d 反远距物镜 反远距物镜由一个负光焦度前组和一个正光焦度后组构成，如图2 8 。入射 光线线经过前组发散，再由后组会聚于焦平面，如图2 9 ，由于像方主面位于正 组右侧靠近像平面的空间理，故反远距物镜可以有比焦距大的工作距离。而视场 角很大的轴外光束经前组发散后，相对于后组来说视场角变小，从而达到广角的 目的，见图2 1 0 。它的相对孔径可以达到l ：2 ，视场角可以达到6 0 0 。 m l j 图2 8 反远距物镜 图2 9 反远距物镜的，t 作距离比焦距长图2 一1 0 反远距物镜可以实现大视场角 反远距物镜的结构都比较复杂，负光焦度前组可以是一个单片负透镜，也可 以使用非常复杂的结构；正光焦度后组则通常采用匹兹万型、柯克型、双高斯型 以及它们的复杂化结构，一般来说，前组结构的复杂程度由视场决定，后组的复 杂程度由它的相对孔径决定 9 1 。 2 1 2 远心光路 远心光路有物方远心光路和像方远心光路之分： a 物方远心光路 物方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，物方主光线平 行于光轴，主光线会聚中心位于物方无穷远处，如图2 1 1 。 1 0 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第二章广角投影物镜设计理论 图2 1 1 物方远心光路 b 像方远心光路 像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光 线平行于光轴。如图2 1 2 所示。 图2 1 2 像方远心光路 远心光路在测量系统中应用非常广泛。在测量系统中，物距常发生变化，使 像高发生变化，测得的物体尺寸也发生变化，即产生测量误差。另一方面，即使 物距是固定的，也会因为c c d 敏感表面不易精确调整在像平面上，同样会产生 测量误差。为了解决上述问题，可以采用远心物镜，物方远心光路可以消除物距 变化带来的测量误差，而像方远心光路则可以消除c c d 位置不准带来的测量误 差。 另外，像方远心光路对摄影物镜和投影物镜也有重要的意义。摄影系统中使 用远心光路可以使光线垂直地入射到胶片或c c d 上，使所摄图像照度均匀；而 投影系统中微显面板发出的平行光近乎垂直地入射到物镜，设计中应让主光线在 像方与光轴尽可能地平行，使投影屏得到照度均匀的像。 2 1 3 背投电视投影物镜结构特点 兰翌立坠塑墅墼墅塑墅塑型二旦丝堑望堡堕丝盐一 笙三童鱼墼墅望堡堡堡型丝 而桁爹慧? 苎霎竺肛! 大相对孔径大视场貔由于要在投影物镜和微显 黧罢兰裟黧二般选脯长工作踊大视场毒：谥羞荔焉 了能够使投射出的图像具有高的照度均匀性，采用像方慧晃三_ 世此钿俐。刀 2 2 背投电视广角投影物镜设计理论 2 2 i 投影物镜结构参数分析 锯时耋鬈兰雯羔兰竺竺竺物兰大成一明亮清晰的实像投射在屏幕上，设计该种物 镜时常应用光路可逆原理，把投影屏作为物，将微显面羞磊菇磊言! 以川墩千甲明 龇2 篓前组光焦度为负值；仍嗡统的后组光焦度为礁加系统前后纽主面的间隰蝴 统的筒长，即物镜的第面至像面的距离；j f 一系统的像距，即后组主面至像面的距离。“”引承 船影兰翥曼三：竺要雯? 像方远心反远距物镜，在归化条件下，总光焦度伊：1 ， 麓麓篓拳来自投影肿蹴线忻，。菇二主芙茹篆茹 竺慧燃铫篓甜刮懒主光线= 一：i 的磊葛磊蕊蒜 耄要詈黧二竺黧兰触d 为前组与彘问的磊荔嚣；呈 径光阑与后组之间的距离等于后组焦距【1 0 1 。 一。“不几门l 设前组角放大率为么2 石l p l 。根据理想光学系统理论，有如下关系式： - 2 h p 仍+ 砟，2 似一石) 砧。+ 。 1 2 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第二章广角投影物镜设计理论 两边同时除以“j 。则： a = 1 一d 仍+ 仍仍 又： ，。= 呜= 7 j l 一幽：= 1 - d ( u 1 + 均仍) = 彳一仍仍一d l 据薄透镜合成关系式： 仍+ 仍一d 仍q 0 2 = 1 代入( 1 ) 式得： a = 以 将( 3 ) 式代入薄透镜合成关系式得： a 一1 仍2 i 习 光学系统总长： 上2 ，+ d = 彳( 1 一鲲) + d ( 1 - 1 1 ) 前组负担的孔径角： = + 啊仍= 1 l + 仍 后组负担的孔径角“一“： a u = z ，一u l = 1 一( 1 l + 仍) 前组负担主光线的相对孔径： ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 式中吃是轴上点边缘光线在后组上的入射高度。h p 。为轴外主光线在前组上的高 度。 在进行一级设计时，可根据实际要求选定适当的a 和d 值，并代入式( 3 ) 和( 4 ) ，求出仍和仍。再根据投影距离和像距的要求列出，与，的关系，代入( 2 ) 式，求出屿，o 将这些量代入( 5 ) ( 8 ) 式中，求她“一玩以及等的 值。这样确定了物距有限远条件下像方远心反远距物镜的基本结构参数。 a 值的选择至关重要，其大小决定系统所能承担的最大视场角和像距，也关 l c o s 人屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第二章广角投影物镜设计理论 系到系统的复杂程度和体积大小。d 值的大小与系统结构的紧凑性有关，所以这 两个参数值在设计前选择得适当与否，将直接影响到设计结果是否适于实际应用。 早期出现的一些反远距物镜，由于视场、相对孔径和工作距离都不大，因此 多用一个弯月型的单负透镜和一些典型的摄影物镜所组成。当要求有更大的工作 距离、视场和孔径时，根据上述结构参数分析可知，这时前后组的光焦度或是前 后组之间的距离都将增大。为了能得到较紧凑的结构又能有较合理的象质，必须 对前后组的结构形式进行分析。 2 2 2 投影物镜前组结构型式和像差分析 由公式( 1 ) 、( 2 ) 可以看出，前组的角放大率么直接决定着工作距离的大 小。而在保证物镜具有较紧凑结构前提下，工作距越长则要求前组光焦度仍绝对 值越大，如果在工作距离、视场角要求不大的情形下，可以采用单片弯月形负透 镜作为前组。而当要求系统具有较大的工作距离、视场角条件下，就需要对前组 进行复杂化，采用双胶合透镜、正负分离透镜或者更为复杂的结构形式，下面简 单介绍几种最基本的前组型式。 a 单片弯月形负透镜 在系统结构指标要求不高时，前组可采用单片弯月形负透镜，如图2 1 4 所 示。 虽然对于单负透镜来说，双凹形状时具有较小的初级像差，但是因为前组远 离光阑，轴外光束在前组有最大高度，轴外主光线在背向光阑的第一面有非常大 的入射角，产生大量高级像差，这对系统的像差平衡是不利的，因而前组单片负 透镜常采用弯月形。 图2 一1 4 单片弯月形负透镜 1 4 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第二章广角投影物镜设计理论 b 双分离负透镜和双胶合负透镜 单片负透镜前组由于变量少无法校正多种像差，可以将前组的光焦度分离。 常将单片负透镜分为两片或是三片负透镜，以提供更多变量来校正像差，减轻后 组像差补偿的负担，如图2 1 5 。 减轻后组像差补偿负担的另一个方法就是在单负透镜中引入胶合面，如图2 1 6 所示。一组双胶合透镜除消除色差外，还可以同时满足两种单色象差的要求。 考虑到前组远离光阑，失对称严重，它所产生的慧差和畸变如果完全由后组 补偿则很困难，因此通常希望双胶合负透镜前组本身能够部分校正慧差、畸变， 以减轻后组负担。 图2 1 5 双分离负透镜图2 一1 6 双胶合负透镜 c 正负分离透镜 胶合透镜在自身部分校正慧差和畸变时，难以兼顾高级象散的校正，因此可 将胶合面分离，如图2 一1 7 所示，增加一个变数，在部分校正慧差、畸变的同时， 用来控制高级象散。 图2 1 7 正负分离透镜 2 2 3 投影物镜后组结构型式和像差分析 当平行光束经负光焦度的前组发散后，对于后组来说，就成为对近距离物体 成象的投影物镜。这个物镜要补偿前组的负光焦度因而相对孔径比较大。 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第二章广角投影物镜设计理论 由于前组不论采用哪种形式，总残存一部分象差须由后组加以补偿。若后组， 采用对称结构，自身消垂轴象差，却不能补偿前组的残存象差，故后组一般采用 失对称的结构形式。 根据不同的相对孔径、视场角和工作距要求，后组的结构形式多采用双高斯 型、三片型、匹兹万型以及它们的复杂化。 a 双高斯型 双高斯型物镜本身相对孔径比较大，用于后组可以提高反远距物镜的相对孔 径。但受到轴外球差和象散的限制，视场角不能太大。将双高斯物镜作为反远距 物镜的后组就不应以它自生校正像差为满足，而希望它能能产生一定的像差去与 前组残余像差平衡。因此必须对双高斯物镜进行适当的复杂化，以打破它的结构 对称性，见图2 1 8 。 图2 1 8 以失对称化的双高斯物镜作为后组的反远距物镜 b 三片型 三片型物镜本身的相对孔径不太大，但是如前面所分析的，它能适应的视场 角比较大，因此将其作为后组，可以增大视场角。若把三片进行复杂化，则可以 进一步增大相对孔径。此时如果将前组也进行复杂化，系统就可以得到更大的视 场角和后工作距离，见图2 1 9 所示。因此，这种复杂化的三片式后组结合以复 杂化的前组是目前各种大口径、大视场、大工作距离反远距物镜常采用的结构型 式。 1 6 n 一 门= 二二u 八u 叭心 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第二章广角投影物镜设计理论 图2 1 9 复杂化的三片式斤组结合以复杂化的前组构成的反远距物镜 c 匹兹力型 匹兹万型的特点是相对孔径比较大， 组，可提高相对孔径，如图2 2 0 所示。 过5 0 0 。 几 而视场角比较小，用做反远距物镜的后 但因匹兹万和无法校正，视场一般不超 哑 图2 2 0 后组采用匹兹万型的反远距物镜 d 消象散厚透镜型 当后组为匹兹万型时，后组的匹兹万和自身不能校正。为了校正匹兹万和， 使后组的f j i 半部分变为负正光焦度分离的厚透镜，如图2 2 1 所示。这样不但可 以校正匹兹万和与象散，而且因负正光焦度分离的厚透镜使轴上光束的高度升高， 主面后移，从而也可以加长工作距离。 1 7 、)，v0l以 剁m 二u l te 三三3 l c o s 人屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计 第二章广角投影物镜设计理论 厂1 们 u 删 图2 2 l 后组采用消象散厚透镜型的反远距物镜 1 8 l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第三章背投电视广角投影物镜的设计 第三章背投电视广角投影物镜的设计 3 1 设计指标 为了使背投电视具有大屏幕，轻薄机身的特点，投影物镜须在较短的距离内 投射出对角线6 7 ”的画面。 为放置合色棱镜，将r g b 三原色图像合成全色影像，需要物镜有长工作距 离。 l c o s 芯片像素尺寸为8 1 1 t m ，要求镜头能很好地分辨6 2 1 p m m 。为得到色彩 效果逼真的电视画质，残留横向色差应小于o 5 像素。此外，畸变也需严格控制。 要求设计的投影物镜满足如表1 所列的指标： 表1 投影物镜的设计指标 指标值 l c o s 像素尺 8 1 i t m 寸 l c o s 芯片对 角l7 8 4 4 m m 线长度 设计波长4 6 5 n m ，5 5 0 n m ，6 3 0 n m 投射距离 7 6 5 m m 后工作距离4 4 m m f #f 2 7 5 m t f 值 在6 2 1 p m m 处大于0 5 投影屏对角线 6 7 残留横向色差 0 5 像素 畸变 淤_ 1 。移j _ _ 一 _ 由：撕二：i i s 。, 。l e j o 二 s 0 1 1 。 ：ib ，：是o ， m 曲。：；。：i 毒：。：d 耐i - * ，妻蠹j t e “ ，哩e l oc u m t u 雌a t g i o r t j d f i e l 0c i j 昏, f k u e e ，0 i s t 0 # t 谂- “j o r n g l 点l e h s t l 鹰f 曲i 92 0 0 e a i u nf j s l o1 0e 明0h i l l i 牦t p s ： v e l e c t 雌b a 6 s 器2 1 # 麓嚣e ；。g 6，1嬲。3 1 1 “a 吼目；c f h s口1 6 9f - ，二o6 | 撩嬲晶黼 嚣 一 i 蚍o e ； n g l el e n s 一埔啪z h x l c 0 怍z o u r 日t z o nio f 图3 一1 4 止向反向光路畸变曲线对比 l c o s 人屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第p q 章背投电视广角投影物镜公差制定与分析 第四章背投电视广角投影物镜公差制定与分析 4 1 光学系统公差分析的制定原则 在上一章中通过推导反远距物镜一级光学设计参数并选择合理初始结构优化 设计得到一款成像质量较好的投影物镜。但对于光学设计工作来说，这仅仅是完 成了部分工作，实际的系统成像质量优劣还与现有设备的加工、装调误差等公差 有关。光学系统的公差主要包括： f 曲率半径公差 ，加工公差j 表面不规则度公差 ii 非球面面形公差 ii 表面偏心公差 装调公差 元件间隔公差 元件偏心公差 元件倾斜公差 材料参数公差 ：二萎蓁 一个光学系统必须对其中所有元件的公差进行误差预算，以保证系统可以以 合理的成本制造出来的同时又能达到所要求的光学性能水平。 一般来说，光学系统的公差制定常依照以下过程进行： 1 ) 为所有光学和机械元件分配可变公差。 2 ) 选择调整参数，一般后焦距是最常用的调整参数。调整参数就是镜头在最 终装配测试期间允许的调整环节。 3 ) 计算这些公差产生的性能敏感度。 4 ) 缩紧对系统敏感参数的公差，放松不敏感参数的公差，再预算性能。 5 ) 重复步骤4 直至以合理的成本满足系统性能。 厂l，l l c o s 大屏幕薄型背投电视广角投影物镜的设计第四章背投电视广角投影物镜公差制定与分析 6 ) 如果系统不能实现，则进行重新设计。 4 2 投影物镜公差分析 根据以上所述的公差分析制定原则， 均衍射m t f 值的变化来表示公差敏感度。 对第一款物镜进行公差分析，并使用平 在z e m a x 软件中，将一组元件公差和装 配公差应用于该光学系统，使用后焦距作为补偿参数，计算出每种公差对系统综 合性能的影响。其中最小值和最大值表示误差量的变化范围；m t f 值表示应用该 组公差并进行后焦距补偿后在6 2 1 p m m 处系统平均m t f 值，变化量为相对于系统理 想m t f 值的变化。 类璎表面 最小值 t e z l t e z i t c o n t c o n 1 1 哏n n ? r n 1 f r n t f r n t f r n t f i 己n t f r n t f i 己n t f r n t f r n 1 1 珉n 1 1 哏n t f r n t 】限n t f r n t f r n t f r n t f r n t f r n t t h i r r h i r r m t t t r h l 变化量 最大值m t f 2o 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 6 7 1 2 8 5 5 0 8o 0 0 0 6 0 8 4 1 5o 0 0 1 0 0 0 0 0 0o 6 6 5 4 3 3 6 3 0 - 00 0 0 5 0 0 0 0 0 o 0 3 5 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 a 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 _ 40 0 0 0 0 0 0 0 0 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 o o o o o 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 40 0 0 0 0 0 0 0 0 一o0 5 0 0 0 0 0 0 0 00 5 0 0 0 0 0 0 0 - 00 5 0 0 0 0 0 0 0 o 0 5 0 0 1 0 0 0 0 0 00 3 0 0 0 0 0 0 0 0 6 5 8 6 5 5 5 5 3加0 l3 2 3 8 3 7 l 0 6 6 2 9 9 9 8 7 700 0 8 8 9 4 0 4 7 06 5 5 1 2 5 4 3 l- 0 0 1 6 7 6 8 4 9 3 0 6 7 1 8 7 8 1 6 2- 1 5 7 6 2 e - 0 0 5 o6 7 1 9 3 9 9 1 64 5 9 9 3 e 一0 0 5 o 6 7 1 9 3 4 7 9 040 8 6 6 e 0 0 5 o6 7 18 0 6 6 3 5 87 2 8 8 e 一0 0 5 06 7 2 5 7 5 5 1 600 0 0 6 8 1 5 9 2 o6 6 7 0 2 1 8 4 800 0 4 8 7 2 0 7 5 o6 7 1 1 4 0 5 2 0 _ oo 0 0 7 5 3 4 0 4 0 6 7 2 0 9 1 0 2 5 0 0 0 0 1 9 7 1 0 1 06 7 1 4 9 4 1 2 9 o6 6 8 9 6 1 4 9 0 - 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