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。     

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。     

基于自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统设计

头戴显示系统在现代教育、医疗和娱乐等领域具有广泛的应用,离轴反射式头戴显示光学系统是头戴显示系统的一种设计形式,既能满足小型化和结构紧凑的需求,又能实现宽光谱成像,无需校正色差;然而,现有离轴反射式头戴显示光学系统的设计难以满足大出瞳直径和小F数相兼容的要求。针对该问题,提出基于光学自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统,实现了大出瞳直径和小F数。该自由曲面头戴显示光学系统分别采用双曲率基面自由曲面和XY多项式自由曲面,出瞳直径为10mm,F数为3.0,视场角为28°,出瞳距大于15mm。该系统的成像性能满足要求且优于现有设计结果。     

多项式型相位光瞳滤波器实现三维超分辨

为研究连续型相位光瞳滤波器对光学成像系统成像效果的影响,并实现对远场光学成像系统分辨率的提升,设计了一种多项式函数形式的相位型光瞳滤波器,证明其可以实现三维超分辨.给出了其与一种典型三区型相位光瞳滤波器的超分辨效果的对比.通过对比可以发现,在分辨效果的改善上,横向分辨率有明显提升,但施特雷尔比会有所下降.此外,由于此种...     

一种2k分辨率内窥镜光学系统设计

随着光学技术以及现代医学的发展,人们对基于内窥镜的微创手术接受度日益提高,医生通过观察由内窥镜获取的病变组织图像进行诊断,因此其光学系统的成像质量至关重要。目前市场上大多数内窥镜图像清晰但细节不够锐利,该文基于Zemax设计了一款分辨率达到2k的内窥镜光学系统,使得最终成像质量更佳。通过提高物镜的相对孔径,并提供一种新的中继硬管棒镜模块及与之匹配的转接光学模块,其入瞳直径为0.6 mm,总长为388.7 mm,视场角为±37.5°,物距为26 mm时物方分辨率为32 lp/mm,物方角分辨力为17/c/(°)。考虑加工以及装配误差,进行公差分析后可知,设计的系统满足实际使用要求。     

高分辨率红外导引头光学系统小型化设计

设计一种高分辨率中波红外成像制导光学系统。采用折射一次成像的结构形式,初始结构为远摄型物镜组。所设计的系统共用3个光学元件,通过引入非球面和二元光学衍射元件,增加光学设计的自由度,全视场达到10,系统总长为49 mm,焦距为70 mm。并且系统在-40℃~60℃温度范围内具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射极限,最大弥散斑直径小于15 m。适用于像元数为640512,像元尺寸为15 m,F数为2的红外焦平面探测器。系统具有成像分辨率高、视场大且体积小等优点,可用于小型红外导引头中。     

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。     

基于Dyson同心光学系统的消色差Féry棱镜高光谱成像仪的设计

为实现高光谱成像系统小型化、轻量化和高成像质量的要求,并使全工作波段具有更高的光学效率,提出以Féry棱镜组合作为分光元件的Dyson高光谱成像仪系统,系统中引入消色差棱镜组合以减小光谱的非线性色散,使棱镜系统色散的线性度达到较高。结果表明,可见近红外（VNIR）光谱通道的光学调制传递函数（MTF）达到0.9以上,光谱分辨率为4.2～6.8 nm。短波红外（SWIR）光谱通道的MTF达到0.73～0.87,光谱分辨率为6.4～12.5 nm。通过消色差Féry棱镜组合的设计,该光学成像系统两个光谱通道内的相对谱线弯曲均小于0.05%,色畸变小于0.13%。     

大视场虚拟现实光学系统设计

虚拟现实技术由于具有良好沉浸感和人机交互性强的特点而被广泛应用于军事训练、教育和医疗等领域。本文设计一款适用于虚拟现实头盔显示器的两片式大视场光学系统。利用单透镜作为初始结构,根据设计要求调整出瞳直径,出瞳距离,逐渐增大视场角,并采用非球面来优化提高光学系统的成像质量,减小畸变。设计完成的头盔显示器光学系统全视场角达到92°,所有视场下的调制传递函数值在奈奎斯特频率处均大于0.1,系统最大畸变为9%,并且在全视场范围内实现每度16.8像素数的角分辨率。实验结果表明：与单片式光学系统相比,本文设计的两片式系统具有更好的成像质量、更出色的边缘视场畸变和色差控制效果。此外,该光学系统重量轻、结构紧凑、成本低,可应用于新一代虚拟现实设备的头盔显示系统。     

指纹及手指静脉图像复合采集光学系统设计

针对生物特征的多模识别技术,设计了一款用于指纹及手指静脉图像复合采集的光学系统。用于采集指纹和手指静脉图像的光学镜头分别由3片和12片球面透镜构成,工作波长分别为650 nm和850 nm,成像器件分别采用640 pixel×480 pixel CCD和640 pixel×512 pixel非制冷红外探测器。使用Zemax软件对该系统的光学结构进行了设计和优化。像质评价结果表明:指纹图像采集镜头在空间截止频率67 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.6;手指静脉图像采集镜头在空间截止频率30 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.8;两镜头各视场弥散斑均方根半径远小于成像器件像元尺寸,接近衍射极限,且成像畸变均小于0.5%。实验证明该系统采集到的图像质量优良,分辨率高。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

折/衍混合微光夜视头盔显示器光学系统设计

设计了穿透式双通道单目微光夜视头盔的光学系统。其中微光物镜视场角为± 14°,f数为 1.4 ,含有一个衍射面。设计结果可兼容输入面尺寸为18mm ,面型为平面的二代和三代微光像增强器 ;最大畸变小于 0 .5 % ,可用于夜间精确瞄准与测量。考虑黑暗环境使用的安全问题 ,显示系统采用穿透式双通道单目光学系统 ,实现内部图像和外部真实世界的同时观察。显示系统的特性参量为 :出瞳尺寸为 15mm (H)× 10mm (V)、视场为[± 14°(H) ]× [± 10° (V) ]、出瞳距离为 2 5mm。采用全息组合器大大提高能量利用率。设计结果系统角分辨力为0 .6mrad ,最大畸变为 3%。显示系统结构紧凑 ,可与输出面尺寸为18mm的图像源相连。     

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。     

Optical system design of the Dyson imaging spectrometer based on the Fery prism

Imaging spectrometer has obtained wide development since rich feature information can be obtained by it; now, we focus on its high spectral resolution and miniaturization. In this paper, we design the Dyson imaging spectrometer system based on Fery prism. The average spectral resolution is 4.3 nm and the structure of the total length is 229 mm. It is a small, high-spectrometer imaging system. The front and rear surface of the traditional prism are plane, but the surfaces of the Fery prism are spherical, which can provide some optical power to realize imaging function and produce the dispersion effect. The Fery prism does not need to be placed in the parallel optical path, which simplifies the collimator lens and the imaging lens and are necessary in the prism spectrometer, making it possible to obtain a compact spectrometer. Full-spectrum transmittance of the prism is up to 94 %. Compared to the convex grating, the energy efficiency is greatly improved, and the free spectral range is wider, and its dispersion will not bring higher-order spectral aliasing problem. The small high spectrometer only includes two components. Its spectral range is from 400 to 1000 nm, covering the near-ultraviolet to near-infrared. The various aberrations of the typical spectrum are corrected. The spectrometer is excellent in performance.     

Hybrid diffractive-refractive 67°-diagonal field of view optical see-through head-mounted display

Design of a wide-angle off-axis optical see-through head-mounted display (HMD) becomes a challenge since its weight and size are constrained by human factors. Diffractive optics has the potential to play a key role in several areas of head-mounted display. They can reduce size and weight while providing some unique functions that would be difficult to implement with conventional refractive optics. This paper presents a 67°-diagonal field of view, wide spectral band hybrid diffractive-refractive see-through head-mounted display (HMD) using off-axis optics. It possesses a 10 mm exit pupil and a 22 mm eye relief, and satisfies the requirements of human factors. The whole optical system is suitable for a 20 mm-diagonal color liquid crystal display (LCD) with XGA resolution.     

双波段CCTV鱼眼镜头光学系统设计

根据CCTV（closed circuit television）镜头的使用需求,以“非相似”成像原理为基础,设计了一款双波段CCTV鱼眼镜头。系统工作波段480 nm～850 nm,可见光和近红外光双波段成像,可实现昼夜监控。镜头F数1.8、视场角1800、焦距1 mm、光学总长7.76 mm,具有大相对孔径、大视场角、小型化等特征。采用7组9片式反远距结构,无特殊玻璃、无非球面,大大降低了系统复杂化程度和加工制造成本。利用光学设计软件Zemax对其进行光学系统设计,选取1/3英寸CCD作为探测器,在奈奎斯特频率120 lp/mm时,其各个视场的子午调制传递函数曲线和弧矢调制传递函数曲线值均达到0.5以上,接近衍射极限,成像质量很好。全视场场曲均小于1 mm,相对畸变小于25%,相对照度在95%左右,满足CCTV镜头的使用要求,可广泛用于监控侦察等领域。     

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜（PGP）结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置。系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统。光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差。根据实际指标探测器像元尺寸为20 m20 m,像元数为512512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm10.2 mm,波段在400 nm~800 nm,物方数值孔径为0.15。分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论。分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3 nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm。