提出了分段环形曲面的面型描述及设计方法。提出了一种从非球面到分段环形曲面的高精度转换方法来建立初始曲面,并讨论了分段环形曲面的优化策略、实现方法和约束条件。将所设计的分段环形曲面应用于一款超短焦投影物镜的设计和优化中,优化后的系统总长仅为155 mm,最大畸变仅为1.36%。研究结果表明,该新型曲面可以提高光学系统设计的自由度和灵活性。

为了使投影设备具有超短投影距离, 实现大尺寸高清显示画面, 设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片, 在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面, 采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律, 建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标, 运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面, 对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数; 各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上, 水平、垂直TV畸变小于0.5%, 投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求, 结构简单, 易于加工和生产。