定焦投影物镜设计以及优化 | SYNOPSYS 光学设计软件第68课

投影物镜通常指 LCD、DLP、LCOS 等投影仪使用的物镜。投影物镜有以下特点：

1. 投影物镜的物是空间光调制器 SLM，包括上面提到的 LCD 和 DLP ，它决定了物镜的视场线和分辨率，从而影响系统外形尺寸和信息量。但实际设计时会倒置设计，将其放在像面。

2. 像方远心：在像空间中，出瞳位于无限远，所有视场的主光线都和光轴平行，从而和 SLM 垂直。这是空间光调制器物理效应的基本要求。

3. 大部分物镜带有一个耦合棱镜，如 LCD 投影仪的 X 棱镜和 DLP 投影仪的 TIE 棱镜，这些棱镜厚度较大，对像差有较大影响，是整个成像光路的一部分。

4. 定焦和变焦物镜：为了适应不同的应用环境，投影物镜大部分是变焦物镜。

本文将展示使用 SYNOPSYS 软件进行离轴反射式光学系统初始结构的设计。

第一步是确定设计目标参数，以下为本次设计的目标：

波长：F，D，C（visible）
F#：2.4
工作距离：850mm
像高：11.363mm
物高：422mm
焦距：25mm
半视场角：26.4°
系统总长：不超过125mm（保护玻璃厚度25mm ）
镜片数：不超过10片
CRA：<0.2°
全视场畸变:<0.5%
全视场MTF：>0.4@46lp/mm
全视场相对照度:>80%

根据要求设置定焦镜头初始结构的搜索宏文件：

[attachment=128384]

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运行搜索宏可以得到10个初始结构，选择合适的初始结构：

[attachment=128398]

现在查看像差指标是否达到设计要求，分析数据结果来针对性的进行对光学系统的优化：

基本参数

[attachment=128385]

全视场MTF：@46lp/mm（1视场未达到标准）

[attachment=128389]

畸变（1%左右未达到要求）

[attachment=128391]

相对照度（在0.6左右，未达到要求）

[attachment=128386]

针对以上的像差分析后，先利用初始系统生成的优化宏进行初步的优化退火过程，模拟退火参数：50 20 50

[attachment=128397]

得到以下结构：

[attachment=128387]

插入真实玻璃：

[attachment=128394]

针对性地对分析指标进行优化宏的修改，增加控制指令命令行（修改评价函数权重控制 MTF，通过增加命令行以及对应命令行权重来控制系统畸变）：

[attachment=128390]

优化完毕后在第7表面前插入光阑（如下图），并注释掉光阑优化变量，继续进行优化：

[attachment=128396]

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优化后得到以下结构：

[attachment=128395]

查看像差指标:

基本参数

[attachment=128399]

全视场MTF：@46lp/mm（>0.4）

[attachment=128393]

畸变（<0.5%）

[attachment=128388]

相对照度（>0.8）

[attachment=128392]

至此，一个定焦投影物镜就搭建完毕了，各位读者可以自行尝试对本文案例的搭建，也可以尝试提高指标要求搭建得到更好的镜头结构。本文中使用的是球面进行结构设计，所以在一定指标和边界条件的限制下像质会处于一个极限状态无法继续优化，在下一期的课程中将会展示加入非球面进行设计的方式，感谢阅读，敬请期待！

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