折/衍混合增强现实头盔显示器光学系统设计

利用衍射光学元件独有的负色散性质和可实现光波面任意相位调制的特点 ,在光学系统中引入衍射面 ,设计了出瞳距离为 2 6mm ,出瞳直径为 12mm ,视场角为 2 0°(H)× 15 .4°(V)的用于增强现实的折 /衍混合穿透式双通道头盔显示器的光学系统。设计的系统内、外两个光通道的光能量利用率分别达到 1/4和 1/2。系统分辨力适合采用分辨率为 80 0× 6 0 0、像元尺寸为 33μm的图像源。设计结果 ,系统镜头直径小于 4 6mm ,满足用于双目显示的要求。设计结果表明 ,该系统不仅在结构上满足使用者因素的要求 ,而且成像质量接近衍射极限 ,具有很高的分辨率 ,色差和畸变非常小。设计结果完全满足用于增强现实的要求。     

大视场三反射面非共轴光学系统研究

本文研究了一种各面都是二次曲面的三反射面非共轴光学系统,并给出视场角为16°×2°,焦距为1500mm的设计结果.     

轻小型星敏感器光学系统的设计

介绍了星敏感器的工作原理,对光学系统的指标进行详细的分析,给出光学系统的设计结果和评价.设计得到的镜头焦距22.7 mm,相对孔径1:1.4,视场角17.1°×17.1°(圆视场角24°),而长度仅45.3 mm.由七个球面透镜组成,光阑放在第二、三透镜之间.     

大视场航天遥感器的光学系统设计

设计了一个主镜为凸面的三镜无遮掩全反射光学系统。采用共轴系统设计、离轴视场使用的成像方式,避开了中心遮光,实现了大视场。其视场角为30°×2°,焦距为600mm,相对孔径为1/5 6。各个面都是二次曲面,成像质量接近衍射限。结果表明,用这种方法设计的系统在航天遥感领域具有很好的应用前景。     

大视场双目头盔投影光学系统设计

设计了一种新型的头盔投影光学系统，解决了头盔系统中大视场和双目实现之间的设计矛盾，且有较小的重量和尺寸.系统的特性参量为：视场角60°，有效焦距30 mm，出瞳距离25 mm，出瞳直径12 mm.该系统由折/衍混合双高斯镜头、半透半反镜和回射屏组成.像差分析结果表明，系统的最大像散为0.27 mm，垂轴色差小于2.7 μm，畸变小于3.8%，最小分辨角为0.5 mrad，成像质量高.     

红外多目标复合模拟器光学系统设计

详述了适用于3～5μm波段、长入瞳距多目标复合的投影光学系统设计。系统实现了干扰和目标发生器共用一个投影光学系统,入瞳距大于2000mm。原理上采用目标系统、干扰系统、主投影系统分开设计,并在主投影系统焦平面上放置中间像面实现目标和干扰的复合。给出了最后的设计结果,包括点列图、调制传递函数曲线。入瞳距2050mm,入瞳口径Φ75mm,视场±2°。     

自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

红外折/衍混合离轴望远系统设计

本文针对空间光学系统轻型特点,设计了一个二元光学折/衍混合红外反射式望远系统。采用了离轴式格里高利(Gregorian)结构形式,消除了望远系统中的中心遮拦问题。用衍射光学元件校正系统象差,使反射面为球面,二元光学表面尺寸比施密特(Schmidt)校正板(位于入瞳处)缩小于3～4倍,光学设计运用OSLO软件,光学系统的通光孔径φ=120mm,焦距f=-1000mm,波长λ=4.3μm,视场2ω=2°×6°(子午×弧矢),分辨率Res=0.05mm,MTF≥0.4(空间频率fre≤10cl/mm).     

一种大视场反射光学系统的研究

从Schwarzschild系统出发，基于设计大视场光学系统的同心原则，设计了一种大视场的三反射光学系统.该系统有两个球面反射镜，一个二次非球面镜，系统在频率50 lp/mm处22°×11°的条形大视场范围内具有良好的成像性能，可以用于紫外探测光学系统中.     

50°视场角投影式头盔光学系统设计及逆反射屏研究

设计了一款适于医疗培训用投影式头盔物镜系统，出瞳直径8 mm，视场50°，能够满足对角0.9英寸微显示器对超高分辨SXGA模式的显示要求.其结构紧凑，口径10 mm，长度12 mm，重量仅有5 g.本物镜系统场曲仅0.35 D，畸变仅0.64%.为考察本投影式头盔系统的成像特性，研究了不同“逆反射材料”的特性.实验得到高强级逆反射材料在±40°视场范围内反射光强无明显变化，适合做为投影屏幕材料.定量分析了逆反射屏放置位置对成像的影响.     

60°对角视场的折/衍混合透视型头盔显示器

分析了离轴、大视场角透视型头盔显示器光学系统的设计方法,提出了利用衍射光学的独特性质设计了大视场、宽波段、离轴折/衍混合透视型头盔显示器光学系统.该系统具有10 mm的出瞳直径和22 mm的出瞳距离,且满足人因素要求.另外,该系统色差仅14 μm,系统口径小于46 mm,满足双目视觉要求.整个系统适合具有15 mm对角直径SVGA分辩率的彩色液晶显示器（LCD）.     

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm;激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm,设计结果满足指标要求。     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

一种新颖的智能眼镜光学系统设计方法

提出采用Fresnel微结构的曲面波导微投影光学系统眼镜设计思想,理论分析了所提光学系统的成像原理,给出了光学设计方法,并运用该方法设计了一套样机,曲面波导板近眼表面(即前表面)曲率半径为140.0 mm,后表面曲率半径为143.5 mm,中心厚度为1.7 mm,材料选PMMA (即有机玻璃),微型显示器选0.23″硅基OLED显示屏,分辨率640×480(象素),出瞳直径选为8 mm,眼点距约为18 mm,视场角9.6°(H)×7.2°(V),调制传递函数(MTF)在空间分辨率30 lp/mm时,中心视场MTF接近0.45,全视场大于0.2。从而验证了该方法的可行性。     

一种单色全息平板波导显示系统的研究

设计了一种由耦出线性全息光栅和耦入体全息光栅组成的单色全息平板波导显示系统。该系统的工作原理是微型显示器发出的单色图像光波信息经过准直透镜后,通过耦入体全息光栅和耦出线性光栅把图像光波信息从平板玻璃的一端耦入,另外一端耦出,最终在出瞳位置进入人眼。介绍了全息光栅的特点,利用耦合波理论与K矢量闭合法理论推导全息光栅的视场角,同时介绍了全息光栅的设计方法,该方法是通过分束镜将激光分为物光波和参考光波,且按照一定的入射角度在全息干板上发生干涉来实现。模拟仿真结果表明:该系统显示视场角为18°×14°,出瞳距离为30 mm,传递函数MTF在30 lp/mm时均在0.3以上,满足目视系统的使用要求,可以应用于新一代头盔显示系统中。     

用于检测设备标定的标准头盔瞄准具设计

为标定和校准头盔瞄准具检测设备,提出一种新的光学结构,并设计了一款标准头盔显示系统（HMD）。该系统采用球面共轴设计,在有限体积的限制下满足了低畸变、高清晰的光学指标要求。利用对称性光学设计原则分步设计,设计的标准HMD系统出瞳清晰,可保证系统各种光学像差的综合校正。针对1．27cm（1／2in）微显示器设计了视场为30°、出瞳距离为75mm的标准HMD光学系统,各视场在分辨率30lp／mm处的MTF值均大于0．3,系统畸变小于0．9％。设计的标准HMD光学系统形式简单、结构紧凑,光学性能优良,可作为头盔瞄准具检测设备标准件。     

一种胶片式的静态光学目标模拟器

光学成像敏感器是卫星姿态控制分系统的重要组成部分,用于月面景象的获取,可为月面着陆器完成障碍识别、路径规划和安全区域选取等功能提供图像信息来源。为实现光学成像敏感器装星后设备功能和性能的检测,需要一种可在室内为光学成像敏感器提供月面场景信息的光学仪器。设计和研制了一种胶片式的静态光学目标模拟器,该目标模拟器以胶片作为图像源,通过积分球均匀照明系统将胶片照亮,并经由光学镜头将胶片图像投射至无穷远处,从而供光学成像敏感器接收。设计完成的静态光学目标模拟器视场≥30°×30°,入瞳直径Φ5 mm,入瞳距离为41 mm,镜头焦距44.78 mm,图像像素分辨率≤1 024×1 024,各项指标均达到了光学成像敏感器装星后光闭路试验的要求。     

基于液体透镜的仿生视觉光学成像系统

随着机器视觉技术在先进制造系统、机器人系统、智能监控、航天军工等领域的广泛应用,仿生视觉系统的小型化、灵巧化成为研究的重要方向之一。针对传统机器视觉系统变焦结构复杂、易磨损、寿命低等缺点,在分析液体透镜原理和成像特点的基础上,设计并搭建了一种基于液体透镜的仿人眼光学系统,系统的主要技术指标为:焦距范围18.5 mm~22.5 mm,镜头变倍比为1.22,视场角为38°×24°。设计结果符合各项指标,像质在不同焦距处均满足使用要求,可实现实时对焦。整个光学系统尺寸为36 mm×55 mm×30 mm,结构紧凑,实用性强。