大焦深光學(xué)投影鏡頭設(shè)計(jì)

1、    大焦深光學(xué)投影鏡頭設(shè)計(jì)    鄒躍摘 要 根據(jù)鏡頭初始數(shù)據(jù)改編，設(shè)計(jì)了一款焦距為12mm，f數(shù)為8，視場(chǎng)角為60度，焦深范圍為0.84mm的超短定焦投影鏡頭。經(jīng)測(cè)試表明，鏡頭在全使用球面鏡的條件下像差較小，空間分辨率較高，焦深范圍大，是一款整體效果不錯(cuò)的大焦深投影鏡頭。關(guān)鍵詞 大焦深 傳遞函數(shù) 超短焦 投影鏡頭0引言隨著材料科學(xué)與光學(xué)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)前的投影市場(chǎng)呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象，投影鏡頭因其呈現(xiàn)的大范圍高清畫面以及辦公時(shí)的高效性而受到越來(lái)越多的青睞。超短焦投影鏡頭更是因?yàn)樵诙叹嚯x就可投射出大畫面的特點(diǎn)而得到更深入的研究，大焦深則可在一定

2、范圍內(nèi)調(diào)焦仍然清晰，可有效地防止用戶花費(fèi)較多的時(shí)間去尋找最好的聚焦點(diǎn)而浪費(fèi)不必要的時(shí)間。本文基于此，通過(guò)改變初始鏡頭的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大焦深、超短焦的投影鏡頭設(shè)計(jì)。本鏡頭主要是基于常規(guī)的投影鏡頭與幕布相距太遠(yuǎn)，人員的走動(dòng)易遮擋光線連續(xù)性的不足而改編的。焦深是指焦點(diǎn)的深度，即在人眼不能明顯分辨物體清晰度的條件下鏡頭的聚焦范圍。影響焦深最主要的因素是光圈的大小，光圈越小，焦點(diǎn)與出射光之間的夾角越小，在相同的光斑約束下，清晰的范圍就越大。除了減小光圈，還有一個(gè)研究方向很火，就是在出瞳處放置一塊相位掩模板改變光波的相位，通過(guò)編碼的方式來(lái)重構(gòu)，效果很好，但難度和成本很大。為降低難度和節(jié)約成本，本文僅以減小光圈

3、為突破口，實(shí)現(xiàn)大焦深的目的，雖然以減小光通量為代價(jià)，但是整體的效果較好，具有一定的參考價(jià)值。1鏡頭數(shù)據(jù)參數(shù)根據(jù)鏡頭初始數(shù)據(jù)，使用了10片球面玻璃以及2塊不同折射率的平行玻璃板和一個(gè)平面，如圖1所示。平行玻璃板可以改變光束的偏移方向，還可與透鏡產(chǎn)生的像差相互抵消，加入一個(gè)平面可有效地彌補(bǔ)剩余的像差，使得彌散斑最小化。球面玻璃中既有火石玻璃，又有冕牌玻璃，大都是常見(jiàn)的，都是以折射率和阿貝數(shù)的形式表示，可在鏡頭數(shù)據(jù)庫(kù)找到，沒(méi)有使用雙膠合透鏡。經(jīng)測(cè)試表明，在同等條件下光圈數(shù)為f8時(shí)，既能輸出適量的光線，也能滿足足夠大的焦深范圍。設(shè)定5個(gè)半視場(chǎng)角，分別是0度，9度，15度，21度，30度；波長(zhǎng)設(shè)定為0.

4、486um，0.587um，0.656um，基本覆蓋可見(jiàn)光范圍，可以近似地代表自然光，也更符合投影光線實(shí)際的波長(zhǎng)；根據(jù)需求多次限定相關(guān)操作數(shù)以及設(shè)定曲率半徑、厚度、玻璃類型等參數(shù)為變量，通過(guò)優(yōu)化函數(shù)組合：rms、spot radius、chief ray、三環(huán)六臂高斯求積來(lái)優(yōu)化，最終得到相對(duì)最理想的透鏡參數(shù)：焦距為12mm，f數(shù)為8，相對(duì)孔徑為1.5，總長(zhǎng)為95.86mm的投影鏡頭。由于使用的是中小型光圈，各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)而言都還不錯(cuò)。5個(gè)視場(chǎng)角的均方根半徑都在幾u(yù)m之間，最小的是0.648um，最大的是5.788um。所有的像差中色差的影響最大，從30度的點(diǎn)列圖可以看出來(lái)，3個(gè)波長(zhǎng)彼此分離，在1

5、5度以內(nèi)色差基本沒(méi)影響，說(shuō)明大視場(chǎng)光線的色差是主要的像差來(lái)源，但不影響焦深的范圍，都是0.84。當(dāng)波長(zhǎng)只有0.555um時(shí)5個(gè)視場(chǎng)的均方根半徑都在0.144um以內(nèi)，頻率為50線隊(duì)/毫米時(shí)對(duì)比度都在0.65以上，而波長(zhǎng)為3個(gè)時(shí)，半視場(chǎng)角為30度時(shí)的對(duì)比度明顯低于其他視場(chǎng)角，如圖2所示。調(diào)制傳遞函數(shù)是反映整體光學(xué)性能最完善、也是最科學(xué)的方式，高頻部分反映了物體的細(xì)節(jié)，中頻反映了層次，低頻反映了輪廓。從圖3中可以看出該鏡頭在中低頻段表現(xiàn)良好，除了子午面30度的變化較快以外，其他的變化緩慢，說(shuō)明整體對(duì)比度較好，能夠很好地反映輪廓和層次。依據(jù)人眼對(duì)事物接收的極限，在zemax中將焦深具體表現(xiàn)為離焦的m

6、tf值大于0.2時(shí)的離焦量范圍。如圖3所示。焦深是焦點(diǎn)離開(kāi)焦平面不同位置處的點(diǎn)列圖，是分析焦深最好的方式。由于它是離焦量的傅里葉變換，和調(diào)制傳遞函數(shù)很像，有一定的關(guān)系，從圖中可以看出子午面30度的線條和其他的沒(méi)有很好重合，對(duì)應(yīng)于調(diào)制傳遞函數(shù)中子午面30度視場(chǎng)的偏離，曲線重合的越好，說(shuō)明成像質(zhì)量越好。2總結(jié)以初始數(shù)據(jù)為模板，通過(guò)優(yōu)化函數(shù)找到最理想的數(shù)據(jù)參數(shù)，以犧牲光通量為代價(jià)擴(kuò)大焦深范圍，f數(shù)為8雖然較小，30度視場(chǎng)子午面色差較大，但整體性能還算不錯(cuò)，綜合考慮還是一個(gè)不錯(cuò)的大焦深投影鏡頭。參考文獻(xiàn)1 楊皓明.大焦深系統(tǒng)成像特性及設(shè)計(jì)方法研究d.天津：南開(kāi)大學(xué)，2008.2 侯國(guó)柱，呂麗軍，曹一青.基于zemax的大視場(chǎng)投影鏡頭設(shè)計(jì)j.應(yīng)用光學(xué)，2016，37（05）：742-746.科教導(dǎo)刊·電子版2018年5期科教導(dǎo)刊·電子版的其它文章淺析高校易班平臺(tái)的育人