关键词：Zemax；光学设计；微型投影镜头；像质评价；DLP
一、工程背景与设计指标
投影镜头是微型投影仪的核心部件，视场要大、结构要紧凑、像质要达标，三者往往互相制约。我们基于光学仪器期刊2013年发表的镜头设计研究，用Zemax光学设计软件完成了一款适用于0.7英寸数字光处理（DLP）芯片的微型投影镜头设计。设计指标为：显示芯片尺寸0.7英寸（14.4毫米乘10.8毫米），像素尺寸7.6微米，投影距离0.7米投射70英寸画面，系统总长小于45毫米，最大孔径小于25毫米，后工作距不小于12毫米。
图1 反远距型光学结构示意图
二、初始结构选取
系统采用反远距型结构，由负的前组透镜和正的后组透镜组成，特点是后工作距离大于系统焦距，适合短焦大视场投影镜头。前组复杂度由视场决定，后组复杂度由相对孔径决定。我们从专利库中查找相关投影系统作为初始结构：焦距12.5毫米，总长27.6毫米，最大孔径15毫米。
图2 初始结构系统布局图
初始结构在40线对每毫米处成像质量很差：零视场MTF值仅0.1，45度视场MTF值仅0.03，远不能满足设计要求，必须通过优化提升像质。
图3 初始结构MTF曲线
三、Zemax优化设计
优化分三步进行。第一步：焦距缩放。将初始结构焦距从12.5毫米缩放至7.5毫米，修改出瞳距、孔径大小和视场，并在系统中加入10毫米厚的玻璃平板代替投影仪中的棱镜结构。第二步：建立评价函数。使用Zemax默认评价函数，并添加边界控制操作数EFFL（控制焦距）、TOTR（控制系统总长）、ENPP和EXPP（控制入瞳出瞳位置）。第三步：添加像差控制操作数SPHA（球差）、COMA（彗差）、ASTI（像散）、DIST（畸变），以及MTFT和MTFS（控制切向与径向MTF）。
图4 优化后系统结构图
四、关键结果与像质评价
优化后的系统达到全部设计指标：焦距7.5毫米，后工作距12毫米，系统总长39.7毫米，满足小于45毫米的紧凑性要求，相对孔径达到1比1.8，视场角70度。像质评价方面，在40线对每毫米处中心视场MTF值大于0.7，边缘视场MTF值大于0.6；像面相对照度大于百分之八十；所有透镜表面均为球面，加工容易、成本低，适合批量生产。
图5 优化后系统MTF曲线
图6 相对照度曲线
五、我们提供的服务
基于Zemax光学设计技术，我们可提供以下工程服务：①投影与成像镜头设计外包：按指标要求完成初始结构选型、优化与像质评价全流程；②初始结构搭建与焦距缩放：从专利库或自有结构库快速定位可用方案并适配新指标；③评价函数与操作数定制：针对焦距、总长、球差、彗差、畸变、MTF等建立完整的优化控制体系；④像质评价与公差分析：MTF、相对照度、点列图、场曲畸变全项检查，输出设计报告；⑤设计方案对比与参数优化：多方案权衡成像质量、体积与成本，给出工程落地建议。
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