LCoS背投光学引擎中变焦投影物镜设计

设计出变焦投影物镜，能满足相同光学引擎、相同屏幕位置下不同屏幕尺寸的需要。考虑到所设计的系统为大相对孔径、中等视场和小变焦比，从变焦理论出发，采用正组补偿的机械补偿法，对变倍组进行合理的倍率选段，求出了高斯解；然后分组元选用合理的初始结构，利用ZEMAX光学设计软件进行优化设计，解决了变焦系统畸变难以控制的问题，并使用调制传递函数对整个系统进行了综合评价。设计结果表明：该变焦投影物镜系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求，能应用于101.6～177.8cm的大屏幕电视。     

基于480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统设计

设计了一种采用长波480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统.该系统利用机械补偿法变倍原理和非球面、衍射面进行像差平衡,工作波长范围为长波7.7~10.3μm,F数为2.62,变倍比达到15∶1.通过对连续变焦光学系统的传递函数、畸变、衍射元件、变焦曲线等性能的综合分析与评价,结果表明在变焦范围内下各个视场均可获得较好的光学性能,光学系统光路总长480mm、后截距为28mm、传递函数大于0.3、畸变小于5%.     

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。     

大相对孔径连续变焦前置物镜的光学设计

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求,设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统,具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方法。设计的变焦距光学系统采用机械补偿法,变倍比为4×,相对孔径为1∶2,在宽视场(8°)和窄视场(2°)端的焦距分别为55mm和220mm。系统畸变小于0.6%,在66lp/mm空间特征频率处的调制传递函数值大于0.5,能够满足超光谱成像仪的使用要求。     

基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计

针对基于SMT技术生产的PCB板产品的三维缺陷检测问题,设计了一款高分辨率、高远心度及低畸变的双光路双远心光学系统。它通过远心投影物镜经共光路物镜将DMD数字条纹均匀投影至待测物面,同时经由共光路物镜和成像物镜收集物面反射条纹光至CMOS接收面。使用ZEMAX光学软件分别对三部分镜组进行优化设计,分析了系统的像差和调制传递函数。设计结果表明:共光路物镜部分采用长工作距离、大视场角及物方远心结构,空间频率50lp/mm处,各视场的MTF接近衍射极限;投影光路畸变小于0.1%,在投影面上全视场范围MTF在6lp/mm处大于0.8且条纹周期均匀;成像光路畸变小于0.05%,在全视场范围MTF在80lp/mm处大于0.3。仿真成像结果表明,在离焦量为+/-6mm时仍能达到景深范围内分辨率要求,能有效提高3D AOI检测质量。且双光路双远心系统所用材料基本为普通玻璃且重复率较高,利于加工和节省成本。     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26~34 mm,视场角为36.2°~28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2%以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26～34 mm,视场角为36.2°～28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2％以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

红外反远距光学系统的小型化设计

 设计了一大视场短筒长的红外反远距物镜。针对红外物镜的特点,对反远距物镜进行高斯光学分析,找出进一步小型化的途径;根据探测器参数,提出了光学系统的参数,焦距10mm,F/#为1.2,视场60°。实例方案中,光学结构采用4片硅片,2个二次曲面;光学系统长度小于57 mm,外径小于24 mm,利用内调焦及充足的调焦范围,使光学系统在-40℃~60℃的工作温度范围内全视场调制传递函数曲线在截止频率处大于0.45;设计系统体积小,视场大,成本低,便于机械安装,环境使用范围广。     

超高数值孔径Schwarzschild投影光刻物镜的光学设计

针对45nm及以下节点光刻相关技术的研究需求,确定了实验型投影光刻物镜的结构型式及设计指标。依据像差理论在非同心小遮拦的Schwarzschild反射系统中添加折射补偿镜组来进一步减小系统的中心遮拦,扩大像方数值孔径。设计了一套小中心遮拦,数值孔径为1.20的Schwarzschild折反式投影光刻物镜。设计结果表明,该投影光刻物镜工作带宽为100pm,像方视场为50μm,线中心遮拦比为13%,光学分辨力为80nm时(6240lp/mm)的系统调制传递函数大于0.45,全视场最大畸变为6.5nm,满足了45nm深紫外(DUV)浸没光刻实验平台对投影光刻物镜的需求。     

用于凝视焦平面的多视场红外光学系统

红外光学系统决定着红外系统的工作模式与工作精度,影响系统的作用距离,是红外系统的重要组成部分。多视场光学系统可以用不同的视场对同一目标进行搜索、识别、跟踪与瞄准,在军事应用领域获得了广泛的应用。光学系统的结构形式影响红外系统的成像质量、性能指标、外形尺寸、价格成本、机电复杂程度等,因此研究和选取合适的多视场光学系统结构形式显得非常重要。对目前国内外应用于凝视焦平面探测器的多视场红外光学系统结构形式,如切换变焦、光学补偿变焦、机械补偿变焦、混合变焦、双光路变焦等进行了特点分析,比较了其优点与局限性,对光学设计人员合理选用多视场光学系统结构形式具有一定的理论指导作用和意义。     

50 mm～1 000 mm大变倍比变焦光学系统设计

为了满足机场跑道外来物光电探测系统对高像质、大变倍比、长焦距、小型化变焦镜头的需要,利用Zemax软件设计了一款50 mm～1 000 mm机械变焦镜头。该镜头采用机械补偿变焦结构,采用超低色散镜片来矫正变焦过程中引起的大色差问题,通过评价函数操作数对镜头的结构尺寸以及像质进行优化。通过优化设计,整个系统由28片球面透镜组成,系统总长小于400 mm,MTF在100 lp/mm条件下逼近衍射极限（MTF>0.2）,RMS弥散斑半径在中心视场条件下小于5 μm,场曲小于0.1 mm,畸变小于1%,绘制了变倍组与补偿组的运动变化曲线,曲线平滑没有断点。分析结果表明:该系统满足机场跑道外来物探测的实际应用需求,对于大变倍比变焦光学系统设计具有一定的参考意义。     

大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

折反式超短焦投影镜头设计

针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求,该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构,利用物、像关系原理,结合物方视场计算反射镜面型参数,得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲,整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜,系统总长286 mm,投影距离500 mm,投射画面尺寸254 cm(100英寸),系统投射比0.22,相对照度大于85%,MTF(modulation transfer function)在0.4 lp/mm时大于0.5,水平TV畸变小于0.55%,垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标,采用同轴球面设计易于加工、装调,可有效降低生产成本。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

红外变焦投影光学系统的设计

根据外场测试要求,设计一套精确变焦的大口径投影光学系统,为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟,系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求,在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下,对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 m ~12 m,变倍比为16x,大口径投影光学系统口径为300 mm,模拟实验结果表明,该系统在变焦过程中像面稳定,各焦距位置MTF曲线接近衍射极限,满足外场测试实验要求。     

基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

针对大视场投影镜头的设计问题,利用ZEMAX光学设计软件,通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为:焦距为13.6 mm,全视场角为60°,相对孔径为1/1.6。设计结果表明:镜头的最大畸变量绝对值小于3% ,最大场曲小于0.06 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6,基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成,光学系统结构紧凑、易加工。     

光学元件缺陷在线检测光学系统设计

为实现对望远镜系统中光学元件表面缺陷在线检测,介绍了一种用于光学元件表面缺陷检测的变焦距成像光学系统,采用机械变焦形式实现变焦功能。根据望远镜系统技术要求计算出变焦距系统的关键参数, 通过Zemax软件设计并优化得到最终结果,整个变焦系统的设计实现了90 mm~540 mm的6倍变焦,在变焦过程中F数和像面位置保持不变,变焦系统总长为553.1 mm。从调制传递函数(MTF)、点列图 2个方面分析了系统的成像质量,系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3,物方分辨率优于0.055 mm,在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。最后对系统环境适应性进行了分析, 讨论了工作温度范围为-10℃~40℃时对系统成像质量的影响,并给出了温度补偿方案。实验结果表明,补偿后的系统成像质量良好,满足实际需求。     

30 mm~300 mm轻型变焦物镜光学系统设计

设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统,焦距为30 mm ~ 300 mm, 视场角为1.1°~ 11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻质量,经过对变焦理论进行分析并结合实际情况,采用正组补偿,运用Zemax软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计,优化过程中加入非球面,达到简化结构,提高像质的作用; 在不影响像面照度的情况下,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小,同时对系统的部分透镜材料进行替换,平衡了高像质与轻质量间的矛盾,最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g,且系统像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用Matlab软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅。