为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求, 设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm, F#为2.4, 工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点, 通过选择反远距的双高斯结构, 控制像方远心度, 通过采用不同材料搭配, 并借助CODE V的玻璃专家优化功能, 反复迭代优化, 最终, 得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明: 该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4, 各视场RMS弥散斑直径小于8.5 μm, 畸变小于2%, 短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计, 结构紧凑, 成像质量好, 畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制, 可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构,经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头,根据设计目标的DMD对角线尺寸,利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘,初步选择各镜材料,规划成5组元变焦系统,利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并合理利用2个非球面,在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化,得到一款在可见光波段内,短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5,长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明：各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46,各焦距处的弥散角不超出1.6′,镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成,其中透镜2使用了非球面镜,该镜头片数较少,透镜折射率不高,材料容易选择。

针对大视场投影镜头的设计问题, 利用ZEMAX光学设计软件, 通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为: 焦距为13.6 mm, 全视场角为60°, 相对孔径为1/1.6。设计结果表明: 镜头的最大畸变量绝对值小于3% , 最大场曲小于0.06 mm, 全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6, 基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成, 光学系统结构紧凑、易加工。

利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于0.6英寸数字光处理(DLP)的微型投影仪镜头。在满足性能要求的基础上,对普通投影仪加以优化,使投影仪结构更加紧凑,方便携带。系统焦距8.25 mm,后工作距约为18 mm,视场为70°。在33 lp/mm处,中心MTF值大于0.6,边缘MTF值大于0.4。

基于激光投影显示系统中散斑形成机理，从理论上分析了影响投影系统中散斑抑制的两个关键参数，即统计独立散斑图像数量N 和探测器成像镜头在观测屏上一个分辨基元内投影镜头分辨基元的数量M。参数M 或N 值的增大，都将有效降低散斑图像的对比度，但即使投射到屏幕上的独立散斑图像数目N 实现巨大，即N→∞，也只能将散斑图像对比度降至1/ M 。在简化投影系统中，利用旋转小散射片产生统计独立散斑图像的方法，通过系统实验，比较了同一散斑抑制技术用于激光非投影和投影系统中散斑抑制的程度，以及投影镜头F 数和探测器成像镜头F 数的变化对参数M 和散斑抑制的影响。结果表明：对于相同N 值和检测条件，投影镜头的存在使散斑图像对比度从0.146 提高到了0.427，呈现的散斑更严重，且投影镜头F 数的增大还会进一步恶化散斑图像，这使得激光投影系统的小型化受到挑战。

针对2 μm分辨力的光刻, 在以数字空间微反射器(DMD)为空间光调制器(SLM)的光刻系统中, 采用一种新的非对称式结构组合, 使用较少的透镜组成了一个高分辨力、大孔径的投影光刻镜头。利用ZEMAX 光学设计软件对其进行了建模和优化, 最终得到其全视场波像差小于λ/10, 畸变小于0.02％, 像方数值孔径NA=0.158, 最小分辨力为2 μm, 近轴缩小倍率β=-0.217, 其结果有效的减少了DMD 栅格效应对空间数字掩模图形的影响, 满足数字投影光刻光学系统的各项指标要求。最后, 对设计结果进行了公差分析, 在修改过少数几个默认公差后, 采用Monte Carlo 方法进行模拟装配, 证明了这种新结构镜头加工和校装的可行性。

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.

为了解决光学系统投影厚度过大问题,采用自由曲反射面结合非球面设计方法设计出超短距离、超广角投影显示系统,其屏幕投影距离小于20 cm。为解决激光色域系统转换,建立了激光三基色与荧光粉三基色色域变换与扩展的理论模型并搭建了基于DSP高速图像处理芯片为核心的颜色变化实时硬件处理试验开发系统。通过该系统可以调试不同颜色系统转换算法,验证转换模型的正确性,并为实现专用颜色转模块提供了开发平台。