含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

用于头盔显示器的折/衍混合目镜设计

设计了一个用于头盔显示器的40°目镜,由两片镜组成,其中含有一个二元衍射面和一个非球面.该折/衍目镜具有10 mm的出瞳直径和25 mm的出瞳距离,结构紧凑,总重量仅为16.6 g.像差特性优于传统的折射目镜,轴上视场传递函数良好,适用于SXGA分辨率的显示.     

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。     

半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统设计

为实现头戴显示器(HMD)的轻小型化,设计了一种新型的半透膜阵列平板波导式HMD光学系统。利用两个互相垂直放置的半透膜阵列波导实现了目镜出瞳的扩展,使得小出瞳目镜即可满足HMD使用需求,在缩小目镜体积的同时减轻了系统重量。通过对半透膜阵列平板波导结构的理论分析和光学系统建模,讨论了系统成像质量和出瞳辐照度分布规律。该系统总重约36g,视场为15°×20°,出瞳7mm×12mm,畸变小于0.13%,点斑均方根半径小于3.75μm,波像差均方根小于0.045λ,各视场光学调制传递函数在40lp/mm时大于0.58。结果表明,半透膜阵列平板波导装置能够有效扩展目镜出瞳,该系统能够满足HMD的使用要求。     

制冷型折衍混合双波段红外光学系统无热化设计

基于衍射元件的特殊成像性质,使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率,在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构,能够消除背景噪声干扰,保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法,设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统,实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜,仅由两种材料组成,入瞳直径为80 mm,焦距为100 mm,F数为1.25,有效视场为6°,工作波段为3.7～4.8μm和8.0～12.0μm,工作环境温度为-40～60℃。分析结果表明,在整个温度范围内,在17 lp/mm截止频率处,双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59,同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%,综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单,成像质量好,在军事和商业应用中具有一定优势。     

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。     

用于微电子硅芯片液晶显示的反射式中继目视系统

设计了用对角为 18mm的微电子硅芯片液晶显示器、6 0°视场角的反射中继头盔显示系统。该系统由一个常用的艾尔弗 (Erfle)接目镜和一个反射中继镜组成。反射中继镜和接目镜的场曲异号 ,因此相互部分抵消 ,系统具有较小的场曲和像散。中继系统的采用 ,不仅保证了头盔显示的特定规格要求 ,诸如出瞳直径和出瞳距离 ,而且为反射式微电子硅芯片液晶显示器的照明光源提供了空间。该系统像差较小 ,尺寸和重量合理 ,适用于特定用途的头盔显示     

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。     

三组元变焦目镜光学设计

 基于车载观瞄模拟系统的使用要求,根据高斯光学设计理论,运用Zemax光学设计软件设计了一种三组元变焦目镜。为了获得较好的像质及长出瞳距,目镜结构采用三组元结构。同时,为了使目镜在连续变焦时入瞳位置保持不变,将出瞳位置设为变量进行优化。最终设计结果为：焦距f=13.35 mm～24.11 mm,出瞳距离L=20.1 mm～27.5 mm,出瞳直径D约为8 mm,像面变化范围y′=4.6 mm～13.6 mm,变焦目镜变倍比约为1.83倍。在50 lp/mm时,4个组态MTF均大于0.3,且各组态点列图均小于艾利斑半径,高于人眼分辨极限,满足使用要求。最后利用Matlab软件编写程序进行曲线拟合,给出了三组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线,拟合精度达0.01 mm。     

Design of optical system for head-mounted micro-display

Assembling one optical imaging system with 0.56″ liquid crystal on silicon (LCOS), we achieved one practical head-mounted micro-display system for civilian applications. The optical system consists of three refractive elements and one binary surface. It has a 32° field of view (FOV), a 10 mm exit pupil diameter, and a 20 mm eye clearance distance. Compared with the traditional optical system, the hybrid refractive/diffractive system has a longer working distance and can be used in higher resolution display with better image quality. Designing results indicate that the introducing of binary element in the system with smaller FOV could improve the image quality dramatically.     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

头戴显示器中自由曲面棱镜的设计

由自由曲面棱镜光学系统所组成的头戴显示器具有体积小、像质高和视场大等优点.利用矢量像差理论傍轴近似结果对具有倾斜曲面的光学系统进行初始结构设计,根据这种方法,以KOPIN公司生产的VGA芯片为例,对头戴显示器中自由曲面光学系统进行设计,将确定的初始结构参数输入光学设计软件Zemax进行优化设计.设计结果验证了确定初始结构方法的可行性,表明头戴显示器中自由曲面棱镜的设计方法可应用于具有倾斜曲面的光学系统设计.     

The investigation of three layers diffraction optical element with wide field of view and high diffraction efficiency

In this paper, a novel three layers diffraction optical element (TLDOE) composed of the optical materials with different indices and dispersion in each layer has been designed and investigated, the principle of selecting optical materials is discussed as well. The diffraction efficiency of the TLDOE at each wavelength in designed band is larger than 90% and the field of view (FOV) can even reach 110°, which can effectively improve energy utilization ratio and image quality of the hybrid refractive–diffractive optical system.     

高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计

设计了一个F数为2,工作波段为3.7～4.8μm,全视场2ω=111.2°的高分辨率制冷型中波广角红外成像光学系统。该系统采用二次成像构型,通过Si、Ge、ZnSe三种材料六片式对称布局,利用折/衍混合器件及非球面,实现了光学被动消热差设计,使系统在-55℃至+80℃的宽温范围内,在空间频率为33lp/mm处的光学传递函数(MTF)均大于0.4,系统在15μm的像素尺寸内,能量集中度大于70%;采用f-θ设计,使成像系统对不同视场具有相同的角分辨率;通过引入光阑像差和控制像方视场角,使像面具有较好的均匀性,边缘视场最低相对照度为中心视场的90.9%,且具有近100%的冷光阑效率,同时,系统具有较好的冷反射抑制效果,该光学系统适用于像素为15μm,分辨率为640pixel×512pixel的中波制冷探测器。     

折/衍混合单透镜在目镜中的应用研究

以传统凯涅尔目镜为基础，采用ZEMAX软件，设计了衍射面位于目镜系统中不同位置时的折／衍混合目镜系统，所有系统均仅采用最普遍的K9玻璃，设计结果与传统凯涅尔目镜的光学性能进行了分析和比较。结果表明折／衍混合目镜系统在校正目镜的像差，例如像散，垂轴色差、垂轴像差，轴向像差和轴向色差等方面优于传统的凯涅尔目镜，选择合适的衍射面位置，可以同时获得符合要求的畸变，衍射面的引入，极大地减小了系统的重量和尺寸。     

Design of a hybrid diffractive/refractive achromatized telecentric f·θ lens

The design of a hybrid diffractive/refractive achromatized telecentric f·θ lens with a field of view (FOV) 50° and an effective focal length of 750 mm is presented. The optical stop is placed at the front focal plane so that it is a telecentric system. The design is based on a traditional refractive counterpart, and the designed system consists of a hybrid diffractive/refractive lens and four refractive lenses. The designed f·θ lens shows a considerable reduction in weight with a simplified structure, and exhibits superior performance compared to the refractive system. It is emphasized that the designed f·θ lens can be applied to modern color scanning systems that operate in the visible wavelength range with high performance. It can also be applied to high-energy scanning systems. When applying the designed hybrid diffractive/refractive f·θ lens to the high-energy scanning system, a big laser operating in one longitudinal mode can be replaced by a small multi-mode laser, and the scanning system can be simplified greatly with the accuracy improved.     

Hybrid diffractive-refractive 40° head-mounted display

The design of a head-mounted display with a field of view of 40 degrees and suitable for use with a micro display of 17.5 mm diagonal is presented. It is a combination of a diffractive-refractive eyepiece with an appropriate reflective relay system. The eyepiece design is based on a Kellner eyepiece. By replacing the cemented-doublet of the traditional eyepiece with a diffractive-refractive element (a plano-convex lens with the plane surface as the diffractive surface) an improved eyepiece is obtained. The proposed eyepiece shows a considerable reduction in physical size (which is particularly important for binocular systems) and weight, and exhibits superior performance compared to the traditional refractive type. It is emphasized that the proposed design has a performance that is well matched to a micro display with SXGA resolution.