投影仪物镜互换的研究

1 引 言

    投影仪物镜互换的含义为：对某一型号的任意一台投影仪而言，除随仪器配备的物镜外，其他同型号投影仪的物镜在该投影仪上的放大倍率差和像质均满足 《中华人民共和国国家标准·投影仪》GB 2928－1982 的要求。实现物镜互换的投影仪有两大益处：（1）用户购买一台投影仪后，若需购置新的物镜，只需将物镜寄给用户即可使用，无需技术人员现场调试；（2）用户购置多台投影仪时，除必配的 10 倍物镜外，可根据使用频率适当配置 20 倍、50倍和 100 倍物镜，无需每台仪器都配置。这非常有利于降低厂家的服务成本和用户的购置成本。文章从系统分析入手，对该投影物镜互换的研究做一阐述。

2 物镜光学系统分析

    以新天公司产量最大的 准300mm 投影仪 JT12A的 10 倍物镜为例（表 1 为物镜光学数据），利用ZEMAX 软件对其场曲、畸变、几何传递函数进行分析，结果如图 1、图 2。由分析结果看出该光学系统的理论畸变小于 0.05%，全视场（150mm 处）分辨率为76 线对，2/3 视场（100mm 处）分辨率为 125 线对，而国标要求为包含畸变在内的物镜放大率误差≤0.08%，全视场分辨率≥79.4 线对，2/3 视场分辨率≥63 线对，证明该设计具备物镜互换的可行性。

3 物镜结构设计与零件公差分析

    最初的物镜结构有四个调整负透镜组的调节螺钉，用于在投影仪上调整因加工和装配偏差带来的物镜中心偏以改善像质，物镜倍率的修正则靠改变投影仪主机上的两块反光镜的位置实现，各个光学镜头的光圈与局部光圈要求为 N≤3，ΔN≤0.3，中心厚度公差为±0.05mm，镜头中心偏≤0.01mm，与物镜筒内孔的配合公差为 f9/H9（负透镜组由于调整中心偏需要，外径与物镜筒内孔的偏差大于0.5 mm）。由上述参数分析发现，除负透镜组外，光学镜头与物镜筒内孔的间隙较大，最高达 0.1mm，光学镜头之间的中心偏差过大，将严重影响光学像质，虽然借助负透镜组可进行调整，但调整的同时带来畸变在各方的不均匀性，投影仪主机上的两块反光镜可以校正这种不均匀性，却使不同仪器配备的物镜失去了互换性。

    为保证物镜的一致性，取消对镜头二的中心调节机构并结合本厂实际加工能力，将镜头与物镜筒内孔的配合公差调整为 f7/H7，利用 ZEMAX 作如下分析：

3.1 对物镜分辨率的影响

    ZEMAX 的公差分析功能可将光圈、局部光圈、中心厚度差及镜头中心偏作直接参数带入，光学镜头之间的中心偏的极限值为最大配合间隙值的一半，光学镜头的倾斜则需由相邻金属隔圈的倾斜决定。