基于硅基液晶技術的嵌入式投影物鏡的設計

第第頁基于硅基液晶技術的嵌入式投影物鏡的設計【摘要】為了適應投影設備向微型化和嵌入式的發(fā)展趨勢，以光學設計理論為基礎，使用Zemax軟件設計一款基于硅基液晶（LCOS）投影技術的嵌入式投影物鏡。該鏡頭由6片球面玻璃鏡片組成，有效焦距為9.8mm，相對孔徑為1/3，全視場角為56°，光學總長控制在21mm，最小鏡片厚度大于0.4mm，在鏡頭分辨率70lp/mm處，全視場調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）值皆大于0.45，畸變值小于1%。優(yōu)化結果滿足設計要求，且鏡片經(jīng)過加工樣板的匹配，能夠滿足生產(chǎn)加工的需要。

【關鍵詞】光學設計；嵌入式投影物鏡；Zemax；像質(zhì)分析；硅基液晶

【Abstract】Inordertoadapttothedevelopingtrendsofprojectionequipmenttominiatureandembedded，aprojectionlensbasedonLCOS（liquidcrystalonsilicon）projectiontechnologywasdesignedwithZemaxsoftware.Thestructureiscomposedof6piecesofsphericalglasslenses，anditseffectivefocallengthis9.8mm，F(xiàn)numberis3，fullfieldofviewangleis56°.Theopticaltotaltrackiscontrolledat21mmandtheminimumthicknessofthelensishigherthan0.4mm.Atthelimitingspatialfrequencyof70lp/mm，itsMTFvalueinallfieldsishigherthan0.45.Thedistortionvalueislessthan1%.Theoptimizationresultsmeetthedesignrequirementsandthelensesarematchedthroughtemplatematching，sotheneedsofproductionandprocessingcanbesatisfied.

【Keywords】Opticaldesign；Embeddedprojectionlens；Zemax；Imagequalityanalysis；Liquidcrystalonsilicon

0引言

隨著投影技術的不斷發(fā)展，使其不斷趨于微型化和功能化。微型嵌入式投影技術，實現(xiàn)了超便攜式投影，可以將手機、平板電腦、多媒體機、筆記本電腦和汽車車載顯示等電子產(chǎn)品都賦予投影功能[1]。目前在投影物鏡的設計方面，已經(jīng)有了較多的研究成果。陳琛等[2]設計了大視場、小型化的投影物鏡；張禹等[3]在保證成像質(zhì)量前提下，降低了投影系統(tǒng)成本；李維善等[4]設計了基于DLP（digitallightprocess）技術的微型投影物鏡。面對投影市場向高分辨率和便攜化的發(fā)展，考慮到硅基液晶（LCOS）投影技術具有高分辨率和小尺寸的特性[5]，本文在保證分辨率和成像質(zhì)量的前提下，減小鏡頭尺寸和鏡片數(shù)量，降低制造成本，基于Zemax軟件設計出一款LCOS投影系統(tǒng)的微型嵌入式投影物鏡，設計結果滿足生產(chǎn)需要。

1鏡頭結構的設計指標

根據(jù)要求設計一種嵌入式投影鏡頭，使用0.41’’的LCOS芯片，LCOS顯示芯片的分辨率為1280pixel×720pixel，像素尺寸為7.1μm，該鏡頭要求在600mm的投影距離，可以投射25’’大小的畫面，光學總長控制在22mm以內(nèi)，后工作距離大于10mm。該嵌入式投影物鏡的照明光源采用LED光源，其波長為617nm，525nm和464nm。最大畸變小于1%，中心視場的MTF值在鏡頭的分辨率大于0.6，邊緣視場以內(nèi)的MTF值均大于0.4，垂軸色差小于1/2pixel（1pixel大小為7.1μm）。

投影物鏡的焦距f’和投射尺寸D=25’’，芯片尺寸d=0.41’’，投影距離l=600mm。存在關系式：f'/d=l/D，由此可知f’=9.8mm。

由LCOS芯片尺寸0.41inch（1inch=25.4mm）可知半像高y’=5.18mm，由公式y(tǒng)’=f’?tanω，確定視場角2ω=56°

由公式N=（N為極限分辨率，a為像素尺寸）[6]可知鏡頭的極限分辨率為70lp/mm。

2設計過程

2.1初始結構選擇

對初始結構的選取，是投影鏡頭設計的關鍵。由于在LCOS芯片和投影物鏡之間有其他光學元件，需要較長的后工作距離，（通常后工作距離要大于物鏡的焦距）因此采用反遠距的光路結構[7-8]。同時考慮到該投影系統(tǒng)需要嵌入在各電子產(chǎn)品中，所以限定其光學長度盡可能短。根據(jù)上述原則以及投影物鏡的設計參數(shù)，選取投影物鏡的初始結構，其外形圖與MTF曲線分別如圖1、圖2所示。

該結構由六片球面玻璃鏡片組成，其有效焦距為100mm，視場角為63°，相對孔徑為1/2.8，光學總長為208mm。

2.2結構優(yōu)化

在選定初始結構后，利用Zemax軟件進行設計優(yōu)化。首先將初始結構的數(shù)據(jù)輸入Zemax軟件中，并設置波長和相對孔徑。隨后對初始結構的焦距進行縮放，使之達到要求的9.8mm。本文采用實際像高來控制視場，且視場的設置要在焦距縮放之后，以免視場像高同時被縮放。

初始結構輸入完成后，開始進行系統(tǒng)的優(yōu)化，步驟如下：

（1）設置優(yōu)化變量，包括鏡片的曲率半徑、厚度以及間距。

（2）選擇默認的優(yōu)化函數(shù)，由于投影物鏡屬于大像差光學系統(tǒng)，需要首先選擇光斑半徑優(yōu)化的方式。同時基于實際加工生產(chǎn)的考慮，設定邊界條件，使鏡片中心厚度大于0.4mm，邊緣厚度大于0.2mm。

（3）添加操作數(shù)EFFL控制好物鏡焦距，TOTR控制系統(tǒng)的光學總長小于22mm，DMLT控制鏡頭的最大口徑小于3.5mm，后工作距大于10mm。添加操作數(shù)REAY，控制實際光線到達像面的像高，使其大于5.2mm，給后序LCOS芯片的組裝留下公差余量。

（4）添加操作數(shù)SPHA、COMA、ASTI、AXCL、LACL分別控制系統(tǒng)的初級球差、初級彗差、初級像散、初級軸向色差和初級垂軸色差。用DIMX控制各個視場的畸變，使其小于目標值。

（5）添加MTFA、MTFT、MTFS，控制弧矢方向和子午方向傳遞函數(shù)值大于目標值[9]。

（6）利用ZEMAX軟件中的HammerOptimization功能，替換光學系統(tǒng)中的鏡片材料，選擇價格便宜且易于加工的玻璃材料。

（7）此外在每次優(yōu)化時，不能同時將所有數(shù)值設為變量，應逐步控制調(diào)整。以上的優(yōu)化過程并不是一次就可完成，需要不斷修改各個操作數(shù)的權重，使優(yōu)化結果滿足目標值，同時要保證鏡片曲率匹配加工樣板，匹配過程會降低系統(tǒng)的性能指標，因此需要多次的循環(huán)設計。

3設計結果與分析

經(jīng)過反復的優(yōu)化，設計出滿足系統(tǒng)參數(shù)要求的嵌入式投影物鏡，該物鏡由6片光學玻璃鏡片組成，且材料價格便宜，易于加工。該鏡頭焦距為9.8mm，光學總長約為21mm，后工作距為11mm，視場角56°，相對孔徑為1/3，圖3為該嵌入式投影物鏡的結構圖。

優(yōu)化后的投影物鏡的MTF曲線如圖4所示，橫坐標為空間頻率，縱坐標為MTF值的大小。由圖可知，中心視場MTF值在70lp/mm時大于0.6；在0.707視場，MTF值在70lp/mm時弧矢方向大于0.53，子午方向大于0.65；全視場MTF值在70lp/mm時均大于0.45。圖5為該結構的場曲、畸變特性曲線，從圖中可以看出，該物鏡最大場曲小于0.15mm，在整個視場內(nèi)的畸變量的絕對值小于1%滿足設計指標的要求。圖6為系統(tǒng)的整體像差圖，從圖可知，該結構仍存在一些像差。圖7為投影物鏡的垂軸色差曲線圖，全視場的色差值控制在2.3μm內(nèi)，小于半個像素3.5μm。

4結論

本文利用ZEMAX光學設計軟件建立合理的優(yōu)化函數(shù)，對選定的初始結構進行優(yōu)化，最終設計出一款微型嵌入式投影物鏡。在優(yōu)化過程中，通過對操作數(shù)及其權重的調(diào)整，使設計結果符合要求。同時考慮實際加工生產(chǎn)需求，對各鏡片曲率進行了樣板匹配，且各鏡片全部選用玻璃球面鏡片。該結構相比同類設計，在保證分辨率及成像質(zhì)量前提下，減少了鏡片數(shù)量，縮小了最大口徑及光學總長，為嵌入式投影物鏡的設計提供有效參考。

【參考文獻】

[1]趙依，張阿維.淺談基于用戶體驗的微型投影儀創(chuàng)新設計[J].藝術科技，2015，（2）：181.

[2]陳琛，劉宵嬋，李維善，等.輕小型廣角投影物鏡的設計[J].光子學報，2011，40（8）：1266-1269.

[3]張禹，陳琛，劉宵嬋，等.LED數(shù)字投影機短焦投影物鏡設計[J].紅外與激光工程，2013，42（10）：2760-2764.

[4]李維善，陳琛，張禹，等.基于ZEMAX軟件的DLP微型投影鏡頭的設計[J].應用光學，2011，32（6）：1121-1125.

[5]賀銀波，熊靜懿，吳國忠，等.LCOS投影顯示技術及應用[J].光學儀器，2002，24（2）：38-47.