为满足搭载平面反射镜的高精度二轴机械转台为核心的激光点目标球幕投影系统仿真目标点的时间精度与位置精度要求, 提出在具有高实时性和时间精度的RTX (real-time extension)64实时扩展系统环境下开发和运行的计算机控制软件的设计方案。使用实时CAN总线通信与以太网结合的通信控制方法, 实现各子系统之间的数据通信和协同控制, 提升运动目标模拟的位置精度和时间精度。在20 ms的同步控制时钟周期下, 重复实验中模拟目标点的误差最大值分别为0.005 34°与0.004 04°, 符合激光点目标球幕投影系统的模拟精度要求, 证明该实时控制软件的设计方案可行。

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。

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%。

激光显示具有色域大、颜色饱和度高、显示画面尺寸灵活可变、无电磁射线辐射等优点。本文根据应用要求，研究和设计了一种用于球幕投影的激光显示广角镜头。分析和计算了激光三基色的白场和光功率匹配参数。投影物镜采用远心反远结构，并且为全球面光学系统，易于加工和检测。设计中有效地控制了系统畸变，利用光阑像差提高了投影显示像面边缘的光照度，改善了像面照度的均匀性，解决了广角系统中像面照度不均匀和畸变控制的难题。投影系统焦距为113 ｍｍ，F#数为25; 全视场角可达到110°。Nyquist频率处，90%视场内MTF大于06，像面照度均匀性优于95%，全视场畸变小于15%; 色差小于05 pixel。分析结果表明，本文提出光学设计思路和方法可行，满足应用需求。

为了匹配不同类型和规格的工程数字投影机的投影球形幕, 提出了设计通用型投影变焦鱼眼镜头的基本方法。首先, 基于投影鱼眼镜头自身特性和通用性特点, 确定了目标系统采用的光学结构类型; 通过优选配置二组元变焦核初始条件参数, 对补偿组的位移曲线进行了线性改造, 从而使两条凸轮曲线可同步构造为标准螺旋线。之后, 通过合理控制前固定组球差及后固定组焦距, 使变焦过程中的像面保持稳定。设计结果表明, 光学系统采用二运动组元机械补偿式正组变倍负组补偿结构, 在变焦过程中可以保持全视场角160°和孔径F#为2基本不变。通过合理控制过程参量, 可以使系统适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~26 mm, 满足1LCD、3LCD和1DMD常见技术类型、16~24 cm(0.63~0.95 in)芯片尺寸及16∶9和4∶3两种芯片长宽比的数字工程投影机使用, 像面位移量控制在±0.03 mm以内。该设计可以满足投影鱼眼镜头的常规投影及通用性要求, 结构简单, 工艺性强。