短焦微型非球面投影物镜设计 | SYNOPSYS 光学设计软件第69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 软件进行短焦微型非球面投影物镜的设计，与上次课程不同的地方是本次设计中使用了非球面面型进行搭建。

第一步是确定设计目标参数，以下为本次设计的目标：

技术指标：
1.焦距 f=9.5mm ；
2.相对孔径 D/f=1/1.8；
3.全视场角 FOV=46°；
4.光学总长控制 40mm 以内；
5.系统总的镜片数量5片以内；
6.系统最好能使用远心光路；
7.全视场畸变小于4%；
8.在镜头分辨率55lp/mm处，中心视场 MTF 不小于45%，周边视场 MTF 不小于30%

根据要求设置定焦镜头初始结构的搜索宏文件：

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[attachment=128402]

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=128404]

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地进行对光学系统的优化：

?*+U[*M
基本参数 n8_X<jIp3
T#E$sZ

[attachment=128400]

t!6uz
全视场 MTF ：@55lp/mm（未达到标准）

[attachment=128414]

h-;> v.
畸变

[attachment=128407]

1hgIR^;[b
主光线角度

[attachment=128405]

rOt{bh6r
相对照度（在0.6左右，未达到要求）

[attachment=128401]

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=128412]

得到以下结构

[attachment=128408]

插入真实玻璃，运行自动生成的优化宏，然后输入 MRG 替换真实材料。只有中间三片是球面玻璃，因此只选择表面3到7

[attachment=128406]

优化完毕后在第5表面前插入表面，并设置为真实光阑：

[attachment=128403]

注释掉优化宏中的 VY 0 YP1，运行优化退火（50,2,50），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 ）再次进行优化退火：

[attachment=128413]

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优化后得到以下结构：

[attachment=128409]

查看像差指标：

O]hUOc`k
基本参数

[attachment=128418]

+,)k@OI
全视场MTF：@55lp/mm（>30%）

[attachment=128411]

!\%JOf}
畸变（<4%）

[attachment=128416]

,.*Df)+
主光线角度

[attachment=128417]

HiK+}?I
相对照度（>0.8）

[attachment=128415]

M61Nl)|mx&
镜头数据

[attachment=128410]

至此，采用前后两片非球面+中间三片球面透镜进行设计的一个非球面短焦投影物镜就搭建完毕了，达到了设计要求的同时也保证了投影镜头良好的远心度，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，感谢阅读。

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