利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。     

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。     

长焦距小型无热化电视光机系统设计

针对长焦距小型化电视的设计要求,采用摄远型光学结构压缩系统的轴向尺寸,使摄远比达到了0.53,并对系统进行了消杂光及光机无热化设计,通过合理地设置光阑减少系统的杂散光,选择合适的结构材料与光学材料相匹配,在整个工作温度范围（-40 ℃～+65 ℃）,像面漂移量在焦深范围内,20 lp/mm时系统的MTF在0.7以上,点列斑4.7 m,小于探测器的像元尺寸6 m,光轴稳定性达到了0.04 mrad,系统无需调焦便可满足高低温等恶劣环境下的像质和光轴稳定性要求。试验结果表明:探测和识别特定目标距离均达到了指标要求。     

TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用

发光二极管（lighting emitting diode,LED）取代传统光源作为投影仪,特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器,并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据,对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计,采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件,克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator,CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础,利用RGB LED时序方式进行混色,设计了一套LED微投影显示系统,并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下,整体系统光能效率为2.38%,系统光学体积仅为125cm3,达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。     

投影式头戴静脉显像光学系统的设计

为了辅助静脉穿刺及相关的医疗操作, 设计了一款基于投影式头戴显示器(HMPD)的静脉显像系统, 其光学系统由近红外成像系统和穿透型HMPD构成。利用光学设计软件ZEMAX优化设计近红外成像系统, 使其具有F/2.6的大数值孔径, 有利于弱反射红外光的收集成像。穿透型HMPD采用与近红外成像系统相同的光学结构, 有利于简化系统的加工装调。设计结果表明, 近红外成像系统成像质量优异, 分辨率达到QXGA(2 048×1 536)。穿透型HMPD具有18 mm的大出瞳直径及25 mm的大出瞳距离, 场曲小于0.03 D, 畸变小于0.32%, 达到QXGA分辨率显示模式。与现行的静脉显像系统相比, 本显像系统结构简单紧凑、佩戴舒适, 且具有超高分辨率, 是一款适用于辅助医疗的目视系统。     

含三层衍射元件的60°视场折/衍混合头盔目镜

设计了一种含有三层衍射光学元件的60°视场头盔显示目镜,并给出了系统优化过程和结果.在整个视场和设计波段范围内三层衍射光学元件的衍射效率均在90%以上,提高了系统的光能利用率和像的对比度.此目镜光学系统的出瞳直径为8 mm,出瞳距离为22 mm.整个系统重量仅为8 g,总长度为26.8 mm,结构轻便紧凑,具有良好的光学性能,满足头盔显示目镜的使用需求.     

空间相机碳纤维复合材料主次镜连接筒设计

设计并研制了碳纤维复合材料主次镜连接筒.根据光学设计中的公差分配,结合复合材料层合板理论,分析了复合材料铺层设计对面内刚度和轴向及周向热膨胀系数的影响,确定了最终的铺层方式.利用有限元软件分析了重力作用下及温度变化时主次镜间的位置变化及连接筒的模态分布.最后,完成了碳纤维复合材料薄壁连接筒的成型和精加工,检测了主次镜系统光学性能,并对装配完成后的相机进行了鉴定级力学试验.分析结果表明:在1g重力载荷及2℃温升耦合作用下,次镜偏心小于0.002mm,次镜倾斜小于2″,主次镜连接筒及次镜系统组合体基频达到265Hz,满足光学设计要求和结构稳定性要求.光学性能检测结果及力学试验结果表明,主次镜系统波像差满足装配要求,主次镜连接筒能够承受鉴定级力学试验考核,连接主次镜的两端响应放大仅1.7倍,体现了良好的阻尼性能.本文中研制的主次镜连接筒重量仅为6.4kg,实现了高轻量化和高刚度,满足空间相机对主次镜位置精度和稳定性的要求.     

LED微阵列投影系统设计

为满足便携式投影仪的市场需求,设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元,利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构,全视场角为80°,焦距为8 mm,属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处,该物镜的调制传递函数大于0. 85,畸变小于2%,符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小,结构简单,投影效果好,易加工等诸多优势,可为第三代投影技术的发展提供参考。     

基于离轴两反利特罗结构的棱镜高光谱成像系统的光学设计

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求,并应对实际应用中对仪器小型化、轻量化、高光学效率的新需求,研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统,采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积,同时为平面棱镜提供准直光路,并以宏编程的优化方式,避免系统中光路干涉。结果表明,通过非球面反射镜和双校正透镜的设计,该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm,色畸变小于1.3 μm,控制在18%像元内,在400～1 080 nm可见—近红外(VNIR)工作波段的光学调制传递函数(MTF)均达到0.9以上,光谱分辨率为1.6～5.0 nm,光谱透过率在51.5%以上,系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统,大相对孔径意味着成像亮度更加优秀,但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长,采用反射结构为基础,搭配前后两组校正镜构成光学系统,设计出大相对孔径,总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段,焦距1 000 mm,F数2.1,摄远比0.52,光学总长远小于焦距,遮拦比45%,全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3,像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜,光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成,结构紧凑,成像质量好。对摄远物镜进行公差分析,得出该设计公差较宽松。     

多焦距光学系统的小型化设计

提出了一种多焦距短筒功率谱采集透镜(PSCL)系统设计方案,系统由前组透镜、后组透镜和4倍透镜组组成。F500傅里叶透镜作为前组透镜固定,加后组透镜,实现焦距F500至F800或F1000的切换。在F500或F1000系统后增加4倍透镜组,实现F2000或F4000的光学系统。设计结果表明,该方案缩短了透镜系统筒长,且像质良好。该透镜系统适用于多种焦距值切换的光学系统和仪器的小型化。     

照相物镜移植应用的研究

对于用逐步修改法设计光学系统,初始结构的选择是重要环节。除在典型形式中寻求初始结构外,也可以借鉴其它系统的光学结构进行相似创新。照相物镜移植应用指的是不同系统物镜因成像功能相似,故可实施光学结构的优化替代。本文研究了各种物镜成像功能的相似性,不同系统大孔径、大视场物镜光学特性的边缘性;根据像差理论阐明了照相物镜是大孔径、大视场系统理想的结构替代源;结合照相物镜丰富的光学结构资源的实际情况,指出移植应用是可行的。将照相物镜移植应用于其它系统大孔径、大视场物镜设计中,生产出与照相物镜结构相似、像质优良的镜头。实践证明了移植应用的实用性与可操作性。     

基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计

关节镜是一种用于观察关节内部结构、诊治关节疾患的内窥镜。利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、像质好的优点,运用Zemax软件设计了一款结构简单的关节镜光学系统,可用于1/10＂CCD关节内窥镜成像。系统具有60视场角,F数为6, 工作距离从～5 mm,各视场的调制传递函数(MTF)在125 lp/mm时达到0.2以上,分辨率达到4 m,且各组态点列图均小于艾里斑半径。光学结构总长204 mm,最大镜头口径小于4.6 mm,根据关节镜的使用特点,系统满足使用要求。     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

小挠度碳纤维复合材料镜筒设计

碳纤维复合材料目前广泛应用于航天结构高强度要求的场合，对复合材料满足小变形使用要求的刚度设计仍然是航天相机结构设计的难题。通过对共轴三反光学系统公差的分析，给出变形量小于2μm的复合材料的刚度设计要求。根据结构的受力状况建立了物理模型。结合复合材料层压板理论，对碳纤维铺层设计进行了合理的简化，并通过有限元分析软件MSC.Nastran对设计进行了完善和验证。结果表明：设计的碳纤维复合材料镜筒满足了结构端面变形量小于2μm的刚度使用要求。     

Optical design for enhanced prism type fingerprint scanner image contrast with asymmetrical aspheric lens

The design of optical prism fingerprint scanner with aspheric lens is researched. We propose a modified structure for optical prism fingerprint scanner, which has an asymmetrical aspheric lens on the output plane. It is numerically shown under elliptic valley similar fingerprint model that the optical image qualities of such a scanner are better than the scanner with symmetrical aspheric lens. When the fingerprint range is 15 mm, the results show that the minimum image contrast is 0.49 for an optical prism with asymmetrical aspheric lens, much better than a symmetrical aspheric lens with 0.20. The relative illumination variation is from 0.62 to 1.00 for optical prism with asymmetrical aspheric lens, and for the symmetrical aspheric lens it is 0.35 to 1.00. We conclude that an optical prism with asymmetrical aspheric lens is better than an optical prism with symmetrical aspheric lens.     

替代柱面透镜的二元光学元件设计

在二极管泵浦固体激光器耦合光学系统中，柱面透镜起着非常重要的作用。随着系统轻量化、小型化的要求需要用重量轻、尺寸小的光学器件来替代。本文介绍一种用于替代柱面透镜的二元光学元件的设计和制作方法。     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

大数值孔径、高次非球面透镜的加工与检验

通过一空间相机光学系统中某透镜的高次非球面表面加工过程,提出了一种基于小磨头数控光学表面成型技术(CCOS,Computercontrolopticalsurfacing)和非球面轮廓检验、零位补偿检验技术的中等口径高次非球面光学表面的加工、检测方法,并且给出了补偿器实际光学设计结果。文中采用这种方法加工的高次非球面表面,最终精度优于1λP V(λ=632.8nm),满足了设计要求。对这种技术的适用范围进行了简明的讨论。