为了实现大像面、小投射比、高清画面要求，设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统，采用缩放法获得初始结构，由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系，计算获得了反射镜坐标数据，拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction，MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm，投射比为 0.4的物方远心系统，在投影距离 720mm时可投射 80inch画面，清晰度为 1080p，视场角为 136°，放大倍率约为 125倍，系统点列图均方根(RootMean Square，RMS)半径小于 750μm，畸变小于 0.2%，相对照度在 96%以上，其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明，系统设计合理，成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头，该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面，有效降低了加工和装配难度。

针对折反式超短焦投影成像光学系统由于结构复杂、投射比小、视场角大造成优化像差时收敛速度慢的问题，提出一种基于折反耦合点的超短焦投影成像光学系统的设计方法。通过对光学系统中折射透镜组与凹面反射镜之间各视场及孔径处光线耦合点位置的计算，将理想耦合点与实际耦合点的偏差作为评价函数来优化像差，同时采用正向设计和反向设计相结合的方式，有效提高光学系统优化效率。利用此方法设计了一个超短焦投影镜头，可在486 mm处投射100 inch（2540 mm）尺寸画面，TV畸变小于0.2%，各视场调制传递函数（MTF）在截止频率为117 lp/mm处均达0.5以上。

超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案，能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理，说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势，并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度，提出将非球面转化为环形拼接非球面，并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题，引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头，在像质平衡优化后，全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势，并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程，原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。

为了设计低投射比的超短焦投影物镜，本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后，分析了系统的性能。仿真结果表明：超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3 048 mm尺寸的大屏幕投影，系统的投射比低至0.19，系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点，可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。

为实现大视场、低成本、高解析力的高性能手机镜头光学系统,基于ZEMAX软件设计了2个采用不同滤光方式的单中心超广角手机镜头光学系统,匹配于曲面传感器。2个光学系统分别由4片同心塑料透镜和曲面滤光片或红外截止膜构成,系统F数均为1.8,视场角均为130°,系统焦距均为2.64 mm,系统总长均为4.1 mm。中心视场的调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率为200 lp/mm处大于0.5,在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2;0.7以内视场的MTF值在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2。全视场相对照度大于0.42。最大均方根半径小于3.75 μm,符合手机镜头成像要求,实现了超广角、短焦、紧凑型光学系统设计,可加工性强,成像质量高。

为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题, 提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法, 即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面, 基于多视场下物像的对应关系, 并根据反射面的法线方向, 通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜, 可将0.65 inch的数字微镜器件芯片在230 mm投影距离处放大为100 inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43 lp/mm处优于0.4, 最大畸变优于1%.该方法简单易行, 可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.

针对当前投影仪光源功耗大, 光投影稳定性差, 系统结构大的缺点, 利用Zemax软件, 设计出了一款大视场, 短焦距, 结构紧凑, 适用于便携式投影仪的投影物镜系统。经过优化处理, 最终获得的结构具有良好的成像质量, 在空间频率为80 lp/mm处中心视场MTF≥0.7, 0.8视场MTF≥0.6, 边缘视场处MTF≥0.48, 畸变小于3%, 满足给出的设计指标。并且在规定和要求的像元尺寸范围内能量集中度大于85%, 照度曲线0.8倍视场以内整体高于90%, 能量集中度高, 照度均匀性好, 与便携式投影仪能很好地搭配使用。

提出了分段环形曲面的面型描述及设计方法。提出了一种从非球面到分段环形曲面的高精度转换方法来建立初始曲面,并讨论了分段环形曲面的优化策略、实现方法和约束条件。将所设计的分段环形曲面应用于一款超短焦投影物镜的设计和优化中,优化后的系统总长仅为155 mm,最大畸变仅为1.36%。研究结果表明,该新型曲面可以提高光学系统设计的自由度和灵活性。

为了使投影设备具有超短投影距离, 实现大尺寸高清显示画面, 设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片, 在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面, 采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律, 建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标, 运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面, 对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数; 各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上, 水平、垂直TV畸变小于0.5%, 投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求, 结构简单, 易于加工和生产。