超短焦距微型投影物镜的系统特点是要求在很近的距离内投射出大的画面，本文设计的一款结构简单的光学模组就能满足这种要求。此模组采用TI的DLP470TP 芯片作为显示成像界面，投射比为0.446：1。整个投影物镜结构由2个非球面镜片、3个球面镜片和2个胶合镜片及一个TIR棱镜组成。投影物镜总长度116mm，焦长4.50mm，相对数值孔径1：2.2，全视场角约120o。成像质量上全场的MTF≥0.35，相对畸变<3%。光学模块里的显示芯片均匀照明系统部分由三组R、G、B的LED发光芯片及7个球面镜片、1个复眼透镜、一个全反射透镜和两个二向镜片组成。均匀照明光学系统和物镜系统共用TIR棱镜、平面镜片和显示芯片。异形玻璃
标签：光学设计；超广角物镜；非球面透镜；复眼透镜；TIR棱镜
引言乙腈
一般大视场大孔径的超短焦距光学系统结构复杂，像面的清晰度和畸变很难控制在小的范围内。本系统借助于两个非球面镜片有效的控制了整体系统的像差及长度，使用结构短巧，性能卓越。这个光学系统由多个部分组成：其中光学镜片组成及排列属于光学部分，照明光源
的选型与驱动属于电学部分，而支撑镜片组合并保证系统整体性的外壳属于机械部分。本文设计的整套光学模组不仅結构简单，而且成像性能很好。
1.投影物镜的设计指标
2.物镜光学系统的设计
毛巾挂件设计要求物镜100%的偏轴率，因此显示芯片的中心应落在物镜像面的上半部分的位置，与光学系统的光轴不能重合。另外，投影物镜要求把小画面放大，即将0.47英寸显示芯片呈现的画面清晰的放大106倍后投射在0.5米远的接受屏幕上。因此，物镜光学系统的结构如图1所示：高保真拾音器
式中c=1/R，R为非球面定点的曲率半径，k为二次曲面常量，A为镜片表面的4阶非球面系数，B为6阶非球面系数，C为8阶非球面系数，D为10阶非球面系数，E为12阶非球面系数，以此类推。本镜片表面最高非球面系数是10阶；光学系统中的第二、三、四和第七个镜片都是普通的球面镜片。第五和六镜片是胶合镜片，每个胶合镜片由两种不同材质的镜片胶合在一起，它们之间相互胶合的镜面是完全吻合的。
3.成像质量的分析
光学镜头系统的成像质量如图2和图3所示。图2显示整个系统的成像面的的像差[3-4]，其中球差在-0.05mm～0.05mm之间，像散范围-0.8mm～0.8mm，畸变范围-3%～3%。图3调制传输函数（MTF）曲线随尼奎斯特频率的增加迅速下降，视场越大，MTF曲线下降就越快。在51尼奎斯特时的制传输函数最小，MTF≥0.35。
4.均匀照明光学系统的设计
投影光学模块里的照明光路设计主要是为了保证出射画面整体的照度均匀性，以及能最大限度的利用LED灯发射出的光亮度。白LED光源的功率比RGB三光源组合的发光功率小，而且RGB三组合光源能达到1024级灰阶，画面彩达10.7亿，所以本系统采用RGB三组合光源的结构，并利用两个二向分片混合RGB三光后通过复眼透镜均匀照射在显示芯片有效接受面上。同时，分别在R、G、B三光源出光面前加上收光透镜，将180度发散的光线收集到<600的发散角内。为了尽可能多的光线能到达显示芯片表面，在光线经过二向分片后增加了凸透镜校正光线方向。汇聚的光线只有经过复眼透镜后才能避免太阳效应使接受面照度均匀。本系统在复眼透镜之后加上两个凸透镜收缩光线发散角
度，并利用全反射镜片改变光路。整个均匀照明系统的三维结构图如图4所示：
5.均匀照明光学系统的分析
照明系统的质量主要通过接受像面的照度均匀性和系统整体的光效利用率评价。本系统的像面照度如图5所示，照度达到94%，完全满足设计要求。
水磨片
光学投影模块的光效利用率是逐个镜片表面透光比例的乘积。理想状态下镜片的光线透过率能达100%，但是实际生活中最好的曲面镀膜镜片的光线透过率只能达到98%，所以这个系统的光效小于30%。
6.结论
本文利用光学软件模拟了一款在超短投影距离投射较大画面的光学模组，能够在0.5米的距离投射50英寸的画面。整个投影物镜结构由2个非球面镜片及多个常规镜片组成。物镜总长度小于120mm，焦长4.5mm，相对数值孔径1：2.2。照明光源采用OSRAM的R、G、B三LED芯片，并利用复眼透镜达到的匀光效果。整个光学模块的体积不大于750cc。
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