为提高球幕投影成像质量, 提出了双通道球幕投影方案, 并基于此方案, 为3.05 cm(1.2英寸)3DMD芯片技术投影机设计了双通道球幕投影镜头。根据投影方案确定了设计指标, 对初始结构的选型做出了合理的分析, 阐述了光学设计过程, 给出了像差优化及设计结果的评价。为避免镜头口径过大引起的重心不稳, 通过合理控制光线入射高度, 将镜头首片透镜的口径进行了大幅度的压缩, 最终口径仅为102 mm。设计的成像质量高、像质均匀的球幕双拼投影镜头F#为2.5, 反远比为6∶1, 1.0视场在38 lp/mm的Nyquist频率处MTF值为0.5, 0.85以内视场的MTF值达到0.65以上, 最大横向色差为4.7 μm, 小于0.5 pixel。

为设计一款可用于不同规格的投影机的通用型短焦投影镜头，整合了应用较为广泛的几款主流机型的光学特征参数，以不同机型内部光学引擎的的不同尺寸的分色合色棱镜作为镜头的一部分，建立多重结构，并根据不同机型参数合理确定了镜头的像高、分辨率、后工作距等设计指标，设计了一款短焦投影镜头，可用于0.63英寸(1.6 cm)~0.8英寸(2.03 cm)芯片且基于单DMD或3LCD技术的投影机，投射比为0.8: 1~0.95: 1。分析了短焦投影镜头中较难处理的照度和畸变问题，最后给出了可行的解决办法,并对光学系统进行了公差分析。

为了找到更加精确的广角物镜系统像面相对照度计算方法，分析了现行像面照度公式成立条件的局限性，提出了基于孔径光阑约束模式的矢量光线追迹计算光通量的方法。通过矢量分析和推导，给出了孔径光阑约束的轴外视场光束在第一光学面上形成的照射区的特征点坐标及照射区面积表达式；依据朗伯体辐射条件和规律，从物镜系统物方着手，建立了两种共轭条件的物镜像面照度分析模型；针对具有物方大视场角特征的相似成像物镜系统和非相似成像物镜系统，分别推导出了像面照度及相对照度表达式；指出了光学设计过程中提高像面相对照度的基本策略。

采用“非相似”成像原理, 利用Zemax光学软件设计了一款适用于160 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构, 由5组6片球面透镜组成, 具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180°, 焦距为3.28 mm, 相对孔径为1/1.9, 后工作距离为35.8 mm, 光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量, 在50 lp/mm处, 各个视场的MTF值均大于0.4, 最大垂轴色差为4.5 μm, 全视场的F-theta畸变绝对值小于3%, 最大视场的像面相对照度达到96.27%。

为了提高鱼眼镜头在单机位球幕放映系统中的像素利用率，提出了二向异性鱼眼镜头的设计思想。通过理论分析柱面透镜的特性，给出了柱像散对各向度焦距的函数关系，也给出了弧矢和子午二向度共面成像的焦距配置关系；对二向异性鱼眼镜头结构进行了分析与设计，通过在镜头结构中引入柱面透镜，使之具有各向度差异化的渐变式焦距，该镜头在相同工作视场条件下，实现了弧矢和子午两向度的像高差异，形成了各向异性的映射规律。所设计的镜头光学结构中含有4个弧矢柱面和一个子午柱面，弧矢和子午向度的最大像高比为1.52∶1，且具有较高的分辨能力。利用二向异性数字鱼眼镜头构建单机位球幕电影放映系统与使用传统鱼眼镜头相比至少可提高像素利用率52%。

为了解决现有超广角数字投影镜头存在的缺陷和不足, 并与不同类型和规格数字投影机的超广角投影匹配, 给出了8组9片式超广角数字通用型投影镜头的光学系统设计.镜头焦距为8.76 mm、全视场角达到97°、F数为2.12、后工作距离大于34 mm、最大口径小于96 mm、总长小于200 mm,结构中加入了1个偶次非球面, 较好地校正了轴外像差与畸变.用减少透镜数量和增大相对孔径的办法提高了像面照度；通过增大光阑慧差及减小像方半视场角, 提高了像面相对照度, 其值达97.46%以上.通过合理确定棱镜等效厚度及调整结构布局, 使结构适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~23 mm.设计的镜头分辨率达120 lp/mm、全视场相对畸变绝对值小于1.5%.结果表明: 该镜头可满足0.55in~ 0.76in 3LCD和1DLP类型的各种数字投影机的使用, 最小投射比可达0.53∶1, 投影画面偏移量最大达到389 mm, 结构简单, 体形小, 成本低, 成像质量好, 可批量化生产.

为满足4k电影的短距离放映需求，设计一款广角放映镜头，可适配于采用三芯片DMD技术的放映机，最大投射比可达0.75∶1，相对孔径为1/2.2，反远比为4.6∶1，在66 lp/mm的Nyquist频率处，MTF值为0.42，边缘视场MTF值为0.25。最大横向色差为3.7 μm<0.5 pixel,最大畸变为2.5%。分析了反远距形式的特点，给出了合理选型、分配光焦度和计算关键技术参数的方法，以及像差校正过程中应注意的问题。最终设计出了符合设计指标的具有高分辨率的广角放映镜头，该镜头结构简单、成本低。

介绍了一种新型单机数字立体电影双通道放映系统, 利用ZEMAX光学设计软件与人工构造相结合的方法, 成功设计了一款单机数字立体电影双通道放映镜头。镜头采用特殊的离轴、三轴结构和折射式光路, 由前组和后组两分结构体组成, 前组包括6组7片球面透镜, 后组由两个完全相同的、对称的3组4片球面透镜结构组成。镜头参数为: 总长24387 mm, 最大口径93 mm, 焦距2023 mm, 全视场角36°, 相对孔径1/201; 后组两副光轴的间距为82 mm, 工作距为378 mm。镜头具有体积小、成本低、结构简单、成像质量好等特点。