大视场口径投影镜头设计

1、中等视场，中等口径变焦镜头设计2 倍变焦镜头 规划1 样例见“DLP 远心投影镜头设计.htm”，如图 1：图 1其性能要求如下：F/# =2.0 FOV=54 度,的 DLP 远心镜头 MTF 要求是 46lp时 中心 视场大于0.8 ,边缘视场大于 0.5 。0.45 英寸的 DMD，偏置是 100%。远心度基本是 0 ，2 重新调整设计要求将此镜头改进设计成 F/# =1.8.0 FOV=60 度，2 倍的变焦镜头。MTF 要求是 60lp 时 中心视场大于 0.65 ,边缘视场大于 0.5 。0.45 英寸的 DMD，偏置是 100%。当 MTF 要求是 60lp 时，其对应最小象元尺

2、寸=1/(2*60)=0.0083；0.45 英寸偏置是 100%时 DMD 处视场园半径=8.24mm，DMD 长边象元总数=9.14/0.0083=1101，短边=6.86/0.0083=826（见图 2），DMD 最小象元总数=1101*826=909000=90 万，即需选 100 万像素分辨力，长宽比=4：3的 DMD。3 测绘系统数据在 AUTOCAD 中测绘数据：（1）（2）DMD 对角线尺寸=11.43，其两顶点外接圆半径=8.24（见图 2）。将图 1 粘贴到 AUTOCAD 中，描绘缩放到 DMD 对角线尺寸=11.43，两顶点外接圆半径=8.24，然后标注各面 0W1H

3、光线交高如图 3。根据“草稿.dwg”整理得“光学系统结构数据表.xlsx”透镜初始结构数据表，其中（3）各镜材料选取原镜选冕玻璃平均状态的 H-BAK7；负镜选火石玻璃的平均状态H-ZF2。然后根据创建的透镜系统用图 3 提供的 0W1H 光线在各面成像高度，约束材料，进行优化得到各镜的玻璃材料，再用系统消色差要求，最终确定各镜材料。但本例当系统最初状态就已接近要求的状态，故存成“1一步优化的起点结构。-测绘数据.ZMX”，作为进图 2图 34 初步优化对 1 - 测绘数据.ZMX”初步优化得“2 -初步优化.ZMX”，这时 CCD 顶点外接圆半径=11mm（ 见图 4 ）， 对应 CCD

4、尺寸=7.63=0.3 英寸。如果 CCD 选 0.45 英寸， 其对角线尺寸=0.45*25.4=11.43mm，顶点外接园半径=8.24mm，由此得图形缩放率=8.24/5.5（见图 4），图形缩放后再优化得“变焦初步优化.ZMX”该结构传函如图 5。5 变焦规划“2 - 初步优化.ZMX”结构如图 6，为了提高系统变焦性能，将其规划成 5 组元变焦（见图 6）。现规划变焦范围。（1）变焦倍率图 4图 5图 6设为 2 倍。（2） 焦距规划短焦视场角为 2W0=60（0.45 英寸 CCD 外接圆视场角），对应焦距=8.24/TAN30=14.3；长焦焦距=28.6；中焦焦距=（14.3+

5、28.6）/2=21.45。将“2 - 初步优化.ZMX”以图 6 方式规划成 5 组元变焦，在 ZEMAX 初步优化得“3. - 变焦规划.ZMX”，然后在 ZEMAX 与 CODE V中往返优化得“4 - 变焦初步优化.ZMX”。图 7由 ZEMAX 文件中象质状态，变焦情况，离目标值还有段距离。另外两个非球面在第 1 镜、第 2 镜上，须将其全规划到第 2 镜上。为了充分挖掘系统潜力，应用 PWC 实体化操作集进行优化，得到最合理的初态，再进行优化求最终解。二 PWC 优化1 胶合镜问题在图 7 中，已有一个胶合镜，为了得到合理的多个胶合镜（胶合镜可提高系统透光率，提高单镜加工的工艺性）

6、，应将将所有胶合镜拆成单镜，在后期根据优化情况逐步合并单镜为胶合镜。2 创建架构2.1 架构数据整理创建“4 - 变焦初步优化.ZMX”架构如下：将上文件光路送往 AUTOCAD 中，得下数据(见“5 - 变焦架构.dwg”，“光学系统结构数据表.xlsx”)：注意：本例所用到的架构创建方法是典型方法。3.2 创建 PWC 变焦架构优化文件（1）短焦架构由上表的短焦结构得“5 - 变焦架构.ZMX”（间隔不变，各镜焦距同乘同一常数，调整该常数，使成像在象面），见图 8：变焦架构数据统计表短焦 F=15.39-目标值=15.5mm主面序号主面间隔特征NdVdF18.151.50489360.75

7、49-79.13263.56956267.46变焦间隔 11.5311656.044-154.544353.4249535.191.7530944.332172.284352410.7变焦间隔 21.743349.399484.923642.18749516.7变焦间隔 31.55354361.6975-29.534127.483232.46光栏10062.721.743349.399426.81919.6218774.941.82419924.4233-29.04520.6626884.2变焦间隔 41.743349.399448.547425.2739293.711.743349.3994

8、71.602427.94434103.711.58175740.3065-113.054329.67687117.33变焦间隔 51.743349.399437.250228.85683棱镜181.5163364.143480空气3.5100保护玻璃0.61.5163364.143480象面0.61100图 8查看焦距=12.96mm 还达不到 14.3mm 的焦距要求。放到 PWC 设计中再解决。（3）校正串接方式=6 单镜 PWC 非球面实体化操作集+6 单镜 PWC 球面镜实体化操作集。下表是其运行中间结果，由于在长中短焦情况下，透镜半径应不变，而下表确是三个不同值，选中焦状态半径值为整

9、个变焦状态半径值，可以兼顾短焦、长焦时的初级像差的平衡。在优化过程中，应先对玻璃，焦距进行优化，得到合理玻璃和焦距的分布后，再优化平衡其它初级像差。下表是单镜实体化串接操作集的优化结果（注意“5 - 变焦架构 (变焦样本).ZMX”是典型 PWC 法变焦样本，与 6 双胶镜实体化模块联合使用，可以用以 12 单镜+6 双胶镜的变焦系统的设计，这已包括绝大多数变焦系统的设计 操作集略）。变焦实体化优化初步结构面序号REDNdVd/2F说明1-122.920.001.601.683560,28.9214.00-68.417透镜 1275.4912.003-106.020.001.601.60556

10、9,37.7812.00-192.066透镜 24-1198.9212.00594.70-1.184848.311.691457,49.5215.00146.243透镜 361490.670.8635515.00753.3105.001.909361,32.2013.0095.057透镜 48139.0712.009-26.950.001.601.530103,48.848.00-46.534透镜 510290.877.00110.005.00光栏1217.740.005.001.761052,47.816.0031.849透镜 61366.237.0014-657.460.001.601.6

11、43537,23.008.00-32.174透镜 71521.388.001634.020.004.411.783669,37.759.0056.134透镜 817150.1912.001840.220.005.301.691199,30.7312.0091.103透镜 919111.3112.002081.560.001.601.905891,30.7310.00-85.418透镜 102139.717.002241.120.005.471.752374,46.896.0048.474透镜 1123-322.466.00240.0018.00棱镜250.002.50空气260.000.65保

12、护玻璃270.000.30空气用上表创建实体化光学系统结构：“6 - 实体化初始结构.ZMX”，各镜是加厚度后保证弯屈，焦距缩放到原值，见下图：但各变焦组元间隔需调整，由下架构数据来决定：其中紧接光栏后的透镜光线太多，另外其弯屈过大，保持其焦距不变，改变弯曲，使短焦组元起始面组元终止面组合焦距值EFLY1447.6284028EFLY15-36.1739819EFLY1833.7802255EFLY11114.6133166BLNK中焦组元起始面组元终止面组合焦距值EFLY1490.3896836EFLY15-43.4122387EFLY1852.7013597EFLY11120.806713

13、9BLNK长焦组元起始面组元终止面组合焦距值EFLY14148.387163EFLY15-46.2365069EFLY1898.4173199EFLY11128.7371791变焦间隔表象面弥散变小，此时光线在此镜上栏光变小，如下图：由图可见系统光束比较顺畅，弥散不大，变焦接近要求。这个结构只是初解，还需在ZEMAX 与 ZCODEV 中往返优化，结果见“7-实体化初始结构 2.ZMX”。三 在 ZEMAX 和 CODE V 间往返优化1 优化结果这个结构的光束分布合理，可以在ZEMAX 与CODE V 间往返优化，最后得“8 -优化结果.ZMX”2 评估2.1结构2.2光学性能F#=1.5，

14、2W0=60，2 倍变焦。属于大视场，中大口径的变焦系统。11 片实现变焦，镜片数较少，且折射率不高，性价比较高。由此可以看出 PWC 找到的初始结构，是很好的。2.3 成像质量（1）成像质量-变焦 MTF（2）成像质量-视场 MTF（3）成像质量-离焦 MTF（4） 成像质量-调焦 MTF调焦性能不合要求，还需对 400,1000,2000 距离处的投影进行调焦传函的设计。（5）成像质量-温度 MTF第 2 镜是镜，还需进行温度修正设计。（6）成像质量-工艺 MTF进行公差计算，要求在短焦时（短焦时视场最大，工艺影响也最大），98%的随机镜头传函MTF0.2（7）变焦弥散（8）垂轴色差一般来

15、说，弥散不超，垂轴色差就不超。（9）视场均匀性（10）光能集中度三 相关问题还存在以下问题：口径大了，应控制在60 以内。总长略长，应控制在 200 以内。还需进行调焦，温度修正设计。措施：第 1 镜改成双胶镜（由上面谈到的“7 -实体化初始结构 2.ZMX”开始，将第 1 镜改成理想双胶镜，用其要达到的P,W,C 值，通过双胶镜实体化模块完成初步设计，再优化即可）。说明：“8 - 优化结果 2.ZMX”不是最终解，但介绍 PWC 变焦实体化模块已够用了，后续工作中的温度修正设计难度较大，要引起重视（ZEMAX 帮助文件中有这部分功能的介绍）。四 PWC 法小结1 为了验证“单镜实体化模块”，

16、“双胶镜实体化模块”，“非球面实体化模块”，“变焦系统实体化模块”运行的正确性，我在一个月内在“底、中、显微物镜设计”，“小、中、大视场照相镜头设计”，“大视场，变焦投影镜头设计”中进行了验证，全部都得到了较好的设计结果。说明了 PWC 模块的正确性。2 PWC 法不要求初态样例要有高的传函，它只是要求得到一个初步合理的架构，通过场曲，色差校正，对材料、焦距进行合理再分配，然后进行 PWC 设计，解出各镜结构。即是说它的最大优势是对一个低性能的光学系统进行改造，得到高性能的初解。因此镜头专利（提供 5 万多镜头样例）是最好的 PWC 法的工作起点。3 PWC 法得到的初解，表面上看来弥散不小，

17、但系统各光学性能在后期校正过程中，被此小，即系统的校正潜力大，总是能校正出好的结果，这点要有信心。4 由 PWC 初解自动寻找更好的结构，CODE V在这方面的性能特别优越，因此在 ZEMAX 与CODE V 间的往返设计，是加快设计效率与质量的关键。在用 CODE V 时，要注意全内反射现象。光线终止于全内反射面，致使程序终止运行。5 在网上到带光线，不带光线两类镜头样例，前者利用光线在各面交高，可获得各镜结构，后者正镜选处于平均状态的 H-BAK7，负镜选处于平均状态的 H-ZF2 在此基础上用观察法对各镜材料进行手工调整，最后用校正 0W、1W 弥散、色差确定各镜结构。对网上样例前期用一般方法，只能得到性能一般化的初解，只有通过 PWC 法才能将其改造成高性能的初解。6 对于有胶合镜的样例，在进行 PWC 设计时，多数