秦皇岛视听机械研究所有限公司，河北 秦皇岛 066000
基于一款4k分辨率小型投影机，设计了一种低成本、易加工的小口径高分辨率鱼眼投影镜头。通过合理选型、分配光焦度、设置光栏位置、调整镜片形状、材料优选及匹配等途径，在镜片数量较少的情况下对像差进行了充分的校正。该镜头仅由9片透镜组成，视场角为175°，F#为2.2，后工作距达到39.8 mm，在奈奎斯特频率131 lp/mm处，1.0视场MTF值达到0.3，其余视场MTF值均达到0.43以上，满足了该机型的使用需求。对镜头的各项公差进行了蒙特卡罗分析，结果表明，公差均在常规可加工的范围内，适合于批量加工和装配。
光学设计 反远比 投影机 鱼眼镜头 optical design inverted-telephoto ratio projector fisheye lens
秦皇岛视听机械研究所有限公司, 河北 秦皇岛 066000
为提高球幕投影成像质量, 提出了双通道球幕投影方案, 并基于此方案, 为3.05 cm(1.2英寸)3DMD芯片技术投影机设计了双通道球幕投影镜头。根据投影方案确定了设计指标, 对初始结构的选型做出了合理的分析, 阐述了光学设计过程, 给出了像差优化及设计结果的评价。为避免镜头口径过大引起的重心不稳, 通过合理控制光线入射高度, 将镜头首片透镜的口径进行了大幅度的压缩, 最终口径仅为102 mm。设计的成像质量高、像质均匀的球幕双拼投影镜头F#为2.5, 反远比为6∶1, 1.0视场在38 lp/mm的Nyquist频率处MTF值为0.5, 0.85以内视场的MTF值达到0.65以上, 最大横向色差为4.7 μm, 小于0.5 pixel。
光学设计 反远比 球幕投影 optical design inverted-telephoto ratio dome screen projection
1 秦皇岛美视达视听检测技术有限公司,河北 秦皇岛 066000
2 秦皇岛视听机械研究所,河北 秦皇岛 066000
设计了一种通用型数字鱼眼镜头检测系统, 由照明系统、检测标板、等效平行平板系统和球幕组成。照明系统内部设有平面反光镜、柱体蝇眼透镜阵列、准直物镜, 起到了缩小系统体积, 提高光能利用率和照明均匀性, 以及实现照明光斑大小尺寸可调的作用。其球幕内壁刻有角度分划尺, 用于测量被测镜头的视场角。测试系统的照明视场范围为φ8.1 mm～φ36.3 mm, 照度均匀度达到91%, 光通量大于5 000 lm, 且大小可调。检测系统可实现对芯片尺寸为0.55″～1.55″的1DLP、3DLP、3LCD、3LCOS的各种类型的数字投影或放映鱼眼镜头的像方视场角、分辨率、彩色还原性能、色差等性能和放映效果进行测试, 降低了检测成本, 通用性强。
光学设计 检测系统 数字鱼眼镜头 照明系统 optical design testing system digital fish-eye lens illumination system
为设计一款可用于不同规格的投影机的通用型短焦投影镜头，整合了应用较为广泛的几款主流机型的光学特征参数，以不同机型内部光学引擎的的不同尺寸的分色合色棱镜作为镜头的一部分，建立多重结构，并根据不同机型参数合理确定了镜头的像高、分辨率、后工作距等设计指标，设计了一款短焦投影镜头，可用于0.63英寸(1.6 cm)~0.8英寸(2.03 cm)芯片且基于单DMD或3LCD技术的投影机，投射比为0.8: 1~0.95: 1。分析了短焦投影镜头中较难处理的照度和畸变问题，最后给出了可行的解决办法,并对光学系统进行了公差分析。
光学设计 短焦 反远距 optical design short-focus inverted telephoto
1 燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 秦皇岛视听机械研究所数字影像装备与数字视频技术秦皇岛重点实验室, 河北 秦皇岛 066000
为了找到更加精确的广角物镜系统像面相对照度计算方法，分析了现行像面照度公式成立条件的局限性，提出了基于孔径光阑约束模式的矢量光线追迹计算光通量的方法。通过矢量分析和推导，给出了孔径光阑约束的轴外视场光束在第一光学面上形成的照射区的特征点坐标及照射区面积表达式；依据朗伯体辐射条件和规律，从物镜系统物方着手，建立了两种共轭条件的物镜像面照度分析模型；针对具有物方大视场角特征的相似成像物镜系统和非相似成像物镜系统，分别推导出了像面照度及相对照度表达式；指出了光学设计过程中提高像面相对照度的基本策略。
几何光学 相对照度 空间光线 广角物镜 鱼眼物镜 孔径光阑 光学学报
2016, 36(11): 1108001
采用“非相似”成像原理, 利用Zemax光学软件设计了一款适用于160 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构, 由5组6片球面透镜组成, 具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180°, 焦距为3.28 mm, 相对孔径为1/1.9, 后工作距离为35.8 mm, 光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量, 在50 lp/mm处, 各个视场的MTF值均大于0.4, 最大垂轴色差为4.5 μm, 全视场的F-theta畸变绝对值小于3%, 最大视场的像面相对照度达到96.27%。
光学设计 球幕投影 数字鱼眼镜头 相对照度 optical design dome-screen projector digital fish-eye lens relative illumination
1 燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 秦皇岛视听机械研究所数字影像装备与数字视频技术秦皇岛重点实验室, 河北 秦皇岛 066000
为了提高鱼眼镜头在单机位球幕放映系统中的像素利用率，提出了二向异性鱼眼镜头的设计思想。通过理论分析柱面透镜的特性，给出了柱像散对各向度焦距的函数关系，也给出了弧矢和子午二向度共面成像的焦距配置关系；对二向异性鱼眼镜头结构进行了分析与设计，通过在镜头结构中引入柱面透镜，使之具有各向度差异化的渐变式焦距，该镜头在相同工作视场条件下，实现了弧矢和子午两向度的像高差异，形成了各向异性的映射规律。所设计的镜头光学结构中含有4个弧矢柱面和一个子午柱面，弧矢和子午向度的最大像高比为1.52∶1，且具有较高的分辨能力。利用二向异性数字鱼眼镜头构建单机位球幕电影放映系统与使用传统鱼眼镜头相比至少可提高像素利用率52%。
光学设计 鱼眼镜头 二向异性 柱面透镜
秦皇岛视听机械研究所, 河北 秦皇岛 066000
为了解决现有超广角数字投影镜头存在的缺陷和不足, 并与不同类型和规格数字投影机的超广角投影匹配, 给出了8组9片式超广角数字通用型投影镜头的光学系统设计.镜头焦距为8.76 mm、全视场角达到97°、F数为2.12、后工作距离大于34 mm、最大口径小于96 mm、总长小于200 mm,结构中加入了1个偶次非球面, 较好地校正了轴外像差与畸变.用减少透镜数量和增大相对孔径的办法提高了像面照度；通过增大光阑慧差及减小像方半视场角, 提高了像面相对照度, 其值达97.46%以上.通过合理确定棱镜等效厚度及调整结构布局, 使结构适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~23 mm.设计的镜头分辨率达120 lp/mm、全视场相对畸变绝对值小于1.5%.结果表明: 该镜头可满足0.55in~ 0.76in 3LCD和1DLP类型的各种数字投影机的使用, 最小投射比可达0.53∶1, 投影画面偏移量最大达到389 mm, 结构简单, 体形小, 成本低, 成像质量好, 可批量化生产.
光学设计 超广角投影镜头 非球面 相对照度 光阑彗差 调制传递函数 分辨率 画面偏移量 Optical design Ultra wide-angle projection lens Aspheric Relative illumination Aperture coma Modulation transfer function Resolution Frame offset
为满足4k电影的短距离放映需求，设计一款广角放映镜头，可适配于采用三芯片DMD技术的放映机，最大投射比可达0.75∶1，相对孔径为1/2.2，反远比为4.6∶1，在66 lp/mm的Nyquist频率处，MTF值为0.42，边缘视场MTF值为0.25。最大横向色差为3.7 μm<0.5 pixel,最大畸变为2.5%。分析了反远距形式的特点，给出了合理选型、分配光焦度和计算关键技术参数的方法，以及像差校正过程中应注意的问题。最终设计出了符合设计指标的具有高分辨率的广角放映镜头，该镜头结构简单、成本低。
光学设计 反远距 广角 成像系统 调制传递函数 optical design inverted telephoto wide-angle imaging system modulation transfer function (MTF)
