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文檔簡介
第第頁基于硅基液晶技術(shù)的嵌入式投影物鏡的設(shè)計(jì)【摘要】為了適應(yīng)投影設(shè)備向微型化和嵌入式的發(fā)展趨勢(shì),以光學(xué)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ),使用Zemax軟件設(shè)計(jì)一款基于硅基液晶(LCOS)投影技術(shù)的嵌入式投影物鏡。該鏡頭由6片球面玻璃鏡片組成,有效焦距為9.8mm,相對(duì)孔徑為1/3,全視場(chǎng)角為56°,光學(xué)總長控制在21mm,最小鏡片厚度大于0.4mm,在鏡頭分辨率70lp/mm處,全視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值皆大于0.45,畸變值小于1%。優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求,且鏡片經(jīng)過加工樣板的匹配,能夠滿足生產(chǎn)加工的需要。
【關(guān)鍵詞】光學(xué)設(shè)計(jì);嵌入式投影物鏡;Zemax;像質(zhì)分析;硅基液晶
【Abstract】Inordertoadapttothedevelopingtrendsofprojectionequipmenttominiatureandembedded,aprojectionlensbasedonLCOS(liquidcrystalonsilicon)projectiontechnologywasdesignedwithZemaxsoftware.Thestructureiscomposedof6piecesofsphericalglasslenses,anditseffectivefocallengthis9.8mm,F(xiàn)numberis3,fullfieldofviewangleis56°.Theopticaltotaltrackiscontrolledat21mmandtheminimumthicknessofthelensishigherthan0.4mm.Atthelimitingspatialfrequencyof70lp/mm,itsMTFvalueinallfieldsishigherthan0.45.Thedistortionvalueislessthan1%.Theoptimizationresultsmeetthedesignrequirementsandthelensesarematchedthroughtemplatematching,sotheneedsofproductionandprocessingcanbesatisfied.
【Keywords】Opticaldesign;Embeddedprojectionlens;Zemax;Imagequalityanalysis;Liquidcrystalonsilicon
0引言
隨著投影技術(shù)的不斷發(fā)展,使其不斷趨于微型化和功能化。微型嵌入式投影技術(shù),實(shí)現(xiàn)了超便攜式投影,可以將手機(jī)、平板電腦、多媒體機(jī)、筆記本電腦和汽車車載顯示等電子產(chǎn)品都賦予投影功能[1]。目前在投影物鏡的設(shè)計(jì)方面,已經(jīng)有了較多的研究成果。陳琛等[2]設(shè)計(jì)了大視場(chǎng)、小型化的投影物鏡;張禹等[3]在保證成像質(zhì)量前提下,降低了投影系統(tǒng)成本;李維善等[4]設(shè)計(jì)了基于DLP(digitallightprocess)技術(shù)的微型投影物鏡。面對(duì)投影市場(chǎng)向高分辨率和便攜化的發(fā)展,考慮到硅基液晶(LCOS)投影技術(shù)具有高分辨率和小尺寸的特性[5],本文在保證分辨率和成像質(zhì)量的前提下,減小鏡頭尺寸和鏡片數(shù)量,降低制造成本,基于Zemax軟件設(shè)計(jì)出一款LCOS投影系統(tǒng)的微型嵌入式投影物鏡,設(shè)計(jì)結(jié)果滿足生產(chǎn)需要。
1鏡頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)
根據(jù)要求設(shè)計(jì)一種嵌入式投影鏡頭,使用0.41’’的LCOS芯片,LCOS顯示芯片的分辨率為1280pixel×720pixel,像素尺寸為7.1μm,該鏡頭要求在600mm的投影距離,可以投射25’’大小的畫面,光學(xué)總長控制在22mm以內(nèi),后工作距離大于10mm。該嵌入式投影物鏡的照明光源采用LED光源,其波長為617nm,525nm和464nm。最大畸變小于1%,中心視場(chǎng)的MTF值在鏡頭的分辨率大于0.6,邊緣視場(chǎng)以內(nèi)的MTF值均大于0.4,垂軸色差小于1/2pixel(1pixel大小為7.1μm)。
投影物鏡的焦距f’和投射尺寸D=25’’,芯片尺寸d=0.41’’,投影距離l=600mm。存在關(guān)系式:f'/d=l/D,由此可知f’=9.8mm。
由LCOS芯片尺寸0.41inch(1inch=25.4mm)可知半像高y’=5.18mm,由公式y(tǒng)’=f’?tanω,確定視場(chǎng)角2ω=56°
由公式N=(N為極限分辨率,a為像素尺寸)[6]可知鏡頭的極限分辨率為70lp/mm。
2設(shè)計(jì)過程
2.1初始結(jié)構(gòu)選擇
對(duì)初始結(jié)構(gòu)的選取,是投影鏡頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于在LCOS芯片和投影物鏡之間有其他光學(xué)元件,需要較長的后工作距離,(通常后工作距離要大于物鏡的焦距)因此采用反遠(yuǎn)距的光路結(jié)構(gòu)[7-8]。同時(shí)考慮到該投影系統(tǒng)需要嵌入在各電子產(chǎn)品中,所以限定其光學(xué)長度盡可能短。根據(jù)上述原則以及投影物鏡的設(shè)計(jì)參數(shù),選取投影物鏡的初始結(jié)構(gòu),其外形圖與MTF曲線分別如圖1、圖2所示。
該結(jié)構(gòu)由六片球面玻璃鏡片組成,其有效焦距為100mm,視場(chǎng)角為63°,相對(duì)孔徑為1/2.8,光學(xué)總長為208mm。
2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化
在選定初始結(jié)構(gòu)后,利用Zemax軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先將初始結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)輸入Zemax軟件中,并設(shè)置波長和相對(duì)孔徑。隨后對(duì)初始結(jié)構(gòu)的焦距進(jìn)行縮放,使之達(dá)到要求的9.8mm。本文采用實(shí)際像高來控制視場(chǎng),且視場(chǎng)的設(shè)置要在焦距縮放之后,以免視場(chǎng)像高同時(shí)被縮放。
初始結(jié)構(gòu)輸入完成后,開始進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化,步驟如下:
(1)設(shè)置優(yōu)化變量,包括鏡片的曲率半徑、厚度以及間距。
(2)選擇默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù),由于投影物鏡屬于大像差光學(xué)系統(tǒng),需要首先選擇光斑半徑優(yōu)化的方式。同時(shí)基于實(shí)際加工生產(chǎn)的考慮,設(shè)定邊界條件,使鏡片中心厚度大于0.4mm,邊緣厚度大于0.2mm。
(3)添加操作數(shù)EFFL控制好物鏡焦距,TOTR控制系統(tǒng)的光學(xué)總長小于22mm,DMLT控制鏡頭的最大口徑小于3.5mm,后工作距大于10mm。添加操作數(shù)REAY,控制實(shí)際光線到達(dá)像面的像高,使其大于5.2mm,給后序LCOS芯片的組裝留下公差余量。
(4)添加操作數(shù)SPHA、COMA、ASTI、AXCL、LACL分別控制系統(tǒng)的初級(jí)球差、初級(jí)彗差、初級(jí)像散、初級(jí)軸向色差和初級(jí)垂軸色差。用DIMX控制各個(gè)視場(chǎng)的畸變,使其小于目標(biāo)值。
(5)添加MTFA、MTFT、MTFS,控制弧矢方向和子午方向傳遞函數(shù)值大于目標(biāo)值[9]。
(6)利用ZEMAX軟件中的HammerOptimization功能,替換光學(xué)系統(tǒng)中的鏡片材料,選擇價(jià)格便宜且易于加工的玻璃材料。
(7)此外在每次優(yōu)化時(shí),不能同時(shí)將所有數(shù)值設(shè)為變量,應(yīng)逐步控制調(diào)整。以上的優(yōu)化過程并不是一次就可完成,需要不斷修改各個(gè)操作數(shù)的權(quán)重,使優(yōu)化結(jié)果滿足目標(biāo)值,同時(shí)要保證鏡片曲率匹配加工樣板,匹配過程會(huì)降低系統(tǒng)的性能指標(biāo),因此需要多次的循環(huán)設(shè)計(jì)。
3設(shè)計(jì)結(jié)果與分析
經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化,設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)參數(shù)要求的嵌入式投影物鏡,該物鏡由6片光學(xué)玻璃鏡片組成,且材料價(jià)格便宜,易于加工。該鏡頭焦距為9.8mm,光學(xué)總長約為21mm,后工作距為11mm,視場(chǎng)角56°,相對(duì)孔徑為1/3,圖3為該嵌入式投影物鏡的結(jié)構(gòu)圖。
優(yōu)化后的投影物鏡的MTF曲線如圖4所示,橫坐標(biāo)為空間頻率,縱坐標(biāo)為MTF值的大小。由圖可知,中心視場(chǎng)MTF值在70lp/mm時(shí)大于0.6;在0.707視場(chǎng),MTF值在70lp/mm時(shí)弧矢方向大于0.53,子午方向大于0.65;全視場(chǎng)MTF值在70lp/mm時(shí)均大于0.45。圖5為該結(jié)構(gòu)的場(chǎng)曲、畸變特性曲線,從圖中可以看出,該物鏡最大場(chǎng)曲小于0.15mm,在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的畸變量的絕對(duì)值小于1%滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。圖6為系統(tǒng)的整體像差圖,從圖可知,該結(jié)構(gòu)仍存在一些像差。圖7為投影物鏡的垂軸色差曲線圖,全視場(chǎng)的色差值控制在2.3μm內(nèi),小于半個(gè)像素3.5μm。
4結(jié)論
本文利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立合理的優(yōu)化函數(shù),對(duì)選定的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,最終設(shè)計(jì)出一款微型嵌入式投影物鏡。在優(yōu)化過程中,通過對(duì)操作數(shù)及其權(quán)重的調(diào)整,使設(shè)計(jì)結(jié)果符合要求。同時(shí)考慮實(shí)際加工生產(chǎn)需求,對(duì)各鏡片曲率進(jìn)行了樣板匹配,且各鏡片全部選用玻璃球面鏡片。該結(jié)構(gòu)相比同類設(shè)計(jì),在保證分辨率及成像質(zhì)量前提下,減少了鏡片數(shù)量,縮小了最大口徑及光學(xué)總長,為嵌入式投影物鏡的設(shè)計(jì)提供有效參考。
【參考文獻(xiàn)】
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[3]張禹,陳琛,劉宵嬋,等.LED數(shù)字投影機(jī)短焦投影物鏡設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程,2013,42(10):2760-2764.
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