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Zemax光学设计实例（101）---一个LCD SLM的变焦投影物镜的设计

2021-12-20 10:59| 发布者：Davis| 查看：838| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用Zemax进行LCD SLM的变焦投影物镜光学设计的实例，包括设计指标、仿真过程和评价函数。通过调节不同的焦距，实现投影图像大小的连续变化，并保证像质。

引言：

现在的投影仪几乎都采用变焦投影物镜，以适用不同的放映环境。投影物镜的变焦范围通常不算大，例如，焦距变化从35mm到50mm，变倍比1.2～1.4。

尽管变焦范围不大，但在光学设计上相比定焦投影物镜还是有很大差别，必须保证不同焦距的系统参数和像质。

设计指标：

设计一个使用0.7in LCD作为SLM的的变焦投影物镜，LCD的具体参数是XGA（1024×768），水平长度a=14.2mm，垂直长度b=10.7mm，p=0.014mm=14um；调焦范围为29～36mm。

波段/um	F	ω	OD/m	y`/mm	f`/mm
VIS	2	24.1°	1.5～5	-12.8	29.0

设计仿真：

（1）系统参数

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“2”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Paraxial image Height”，如下图：

注意，在投影物镜中，偏置后的像高是确定的，但调焦过程中引起投影区域尺寸变化，物高和视场角是可变的，所以只能设定像方线视场。

在波长设定对话框中，设置F,d.C(Visible)，如下图：

（2）设计仿真

该投影物镜由8组11片透镜构成，光阑位于第12面，透镜后方有27mm厚的耦合棱镜，LCD前方有3mm的保护玻璃。

上图中，三个变焦间隔T9、T12、T19遵循合适的规律变化，就可以连续改变焦距，从而改变放大率，使投影图像的线性变化。T6为调焦间隔，在每个给定的焦距上，微调T6,就可以使投影距在1.5～5米的范围内成清晰像。

在镜头的结构中设计曲线槽，就可以通过变焦在一定范围内获得图像大小连续变化的清晰像。

LDE的初始结构参数，如下图：

由调焦范围为29～36mm先定义三个组态（Config）：取变焦区间的两端和中点，分别为29mm、32.5mm、36mm。

按F7打开MCE，增加9个组态，每个组态表示一组参数，分别增加OD、T6、T9、T12、T19，如下图：

其中，Config 1～Config 3的焦距（29mm）大致相同，为一个焦距组，在该组内变焦间隔T9、T12和T19不变，而调焦间隔T6不同，导致不同的投影距T0及不同的投影像的线度。

T6的厚度独立变化，Config 2、Config 3的T9、T12、T19都跟随Config 1（设置为Pickup）。

同理，Config 4～Config 6（32.5mm），Config 7～Config 9（36mm）为另两个焦距组。

在全部调焦的过程中，物镜长度变化很小。

在设置评价函数时，实质上是对三个定焦投影物镜的评价函数子模块的连续排列，在第一个模块前加上运算符“CONF=1”，表明以下的各操作数都只对Config 1起作用，其中厚度T6、T9、T12、T19由MCE规定。

EFFL操作数，控制每一个焦距组的焦距，分别为29、32.5、36，并给权0.4。

RANG操作数，为像面上1视场主光线与光轴的夹角（弧度值）.

CONS操作数，定义一个常数57.295，为180/π。

PROD操作数，将弧度值变为角度值。

查看3D Layout，如下图：

MTF的截止频率为1/（2p）=36mm^-1，MTF曲线如下图：