用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计

针对现有沉浸式飞行模拟器进一步小型化和低成本化的需求,设计了一款应用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头。论文确定了投影方案中各部件(球带幕、投影机、投影物镜)的关键参数,设计的球带幕投影镜头具有172°的视场角和6∶1的反远比,将一台装有该镜头的投影机置于银幕上沿就可以将画面投满整个球带幕。文中给出了大视场、大反远比光学系统的构造方法,对大视场非相似成像系统中的畸变、场曲和相对照度进行了分析和讨论,并给出了改善照度均匀性的有效途径。该镜头以8片透镜的低成本结构满足了4 k分辨率的高质量投影需求,在奈奎斯特频率185 lp/mm处全部视场的MTF值均达到了0.4以上,且具有良好的工艺性。     

双远心数字条纹投影的光学系统设计

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题,设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统,实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标;设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统,在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%,且能量利用率为45.8%;设计了双远心结构的投影光学系统,投影视场为66.5mm×37.5mm,并在全视场范围内分辨率在8lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型,仿真结果表明,被投影区域均匀性为90.8%,投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀,综合提高了3D自动检测系统的投影质量。     

固态面阵激光雷达接收光学系统设计

在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。     

超短投影距的投影物镜设计

为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的,先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型,再对投影镜头整体优化,设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2,焦距4 mm,像方视场角128°,像方0.4 lp/mm(截止频率)处调制传递函数(MTF)大于0.6,最大畸变的绝对值0.9%,镜头总长100 mm,最大口径Φ=80 mm。设计结果表明,该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构,全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。     

采用折反式成像的超短焦距投影物镜设计

为了使投影设备具有超短投影距离,实现大尺寸高清显示画面,设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片,在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面,采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律,建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标,运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面,对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数;各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上,水平、垂直TV畸变小于0.5%,投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求,结构简单,易于加工和生产。     

双谱段全景电晕探测光学系统

为扩大电晕系统探测范围、提高实时探测能力,采用折反射全景结构建立了一种新型双谱段("日盲"紫外/可见光)电晕探测系统.介绍了双谱段折反射全景电晕探测系统工作原理,并根据系统要求确定了镜组结构及子系统光学参量.在分析折反射全景系统像差特性的基础上,研究了折、反射子光学系统间像差补偿及照度均匀性改善方法.完成了视场角为360°×(45°～90°)、相对孔径1∶2的双谱段全景电晕探测光学系统设计.分析结果表明:"日盲"紫外全景系统各视场能量集中度100%弥散圆直径均小于紫外ICCD像元尺寸30μm;可见光紫外全景系统各视场MTF0.5@83lp/mm.像面照度均匀性优于99.8%;满足了大视场,大相对孔径及高均匀性像面照度等电晕探测需求.     

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。     

折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计

投影式头盔系统具有成像质量高,结构轻便等特点。分析投影式头盔光学系统设计参数的选择原则,并基于投影式物镜引入对角为1.55 cm的新型OLED显示器作为图像源,采用折射/衍射混合结构来减轻光学系统的体积和重量。通过ZEMAX软件对系统进行优化,设计得到一款质量仅1.35 g,直径11.32 mm的超轻小型三片式头盔显示器光学系统。系统中心视场MTF在32lp/mm处达到了0.52,在该空间频率下对应人眼的分辨率为1.85,′在大视场处,子午和弧矢MTF也均大于0.2,分辨率满足SVGA显示模式要求。     

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。     

一款大靶面消热差鱼眼镜头设计

为了满足信息化时代对高清鱼眼镜头的应用需求,利用CODE V和Zemax光学软件设计了一款匹配16 mm(1英寸)CCD的大孔径玻塑混合鱼眼镜头。该系统可在光谱为486 nm～656 nm以及850 nm范围内清晰成像,视场角为210°,F数2.0,焦距为4.1 mm, F-Theta畸变小于7%,边缘照度大于68%。常温下,该系统在奈奎斯特频率91 lp/mm处0.707视场MTF大于0.5,全视场MTF大于0.35。-40℃～+75℃状态下0.707视场MTF大于0.3,全视场MTF大于0.2,满足高低温环境下的使用要求。系统采用7片式玻塑混合的结构形式,具备大视场角、大靶面、大光圈等特征,可广泛应用于高清摄像、安防监控、工业生产等领域。     

球幕投影数字鱼眼镜头的光学设计

采用非相似成像原理,利用Zemax光学软件设计了一款适用于1-60 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构,由5组6片球面透镜组成,具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180,焦距为3.28 mm,相对孔径为1/1.9,后工作距离为35.8 mm,光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量,在50 lp/mm处,各个视场的MTF值均大于0.4,最大垂轴色差为4.5 m,全视场的F-theta畸变绝对值小于3%,最大视场的像面相对照度达到96.27%。     

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。     

亚10 μm线宽的投影光刻物镜设计及其成像性能的实验测定

 采用Zemax软件设计出6镜片、数值孔径为0.06、2倍缩小、以405 nm半导体激光器为光源、分辨精度达5 μm、视场12 mm×12 mm 内波像差小于1/4波长、畸变小于0.005%的双远心投影光刻物镜的设计方法。将设计的物镜实物化,并对其光学传递函数(MTF)作精确的实验测定,利用所提出的MTF标准实验测量法,得到该投影物镜的成像性能达亚10 μm线宽。     

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

 利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头。镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点。镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm。镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 lp/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7%,垂轴色差小于0.5个像元大小。     

微投影广角镜头设计

为了满足国内外视场投影仪微型轻量化的趋势,设计一款适用于德州仪器推出的1.19 cm (0.47 英寸)、1080 pix数字微反射镜片的微型广角投影镜头。镜头由7片玻璃（均为国内常见玻璃）和2片塑料（4面非球面）透镜组成,结构简单,易加工。透射比0.66:1,即在600 mm处投影出111.76 cm(44 英寸)的画面,镜头有效焦距6.45 mm,F#:2.1,全视场86,系统总长46 mm,最大口径22 mm,在空间极限频率93 lp/mm处0.8视场以内传递函数值都超过0.62,边缘视场的传递函数值超过0.43,全视场畸变小于等于2%,垂直色差小于等于0.18 m。     

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。     

新型大视场消杂光眼底相机光学系统的设计

设计了一款大视场、免散瞳便携式眼底相机。综合考虑接目物镜被成像和照明系统共用、人眼的像差和视度差异等因素,采用16重结构进行优化设计。设计结果的视场角达60°,分辨率为200万像素,对-8 D~+10 D(1 D=1 m-1)的人眼普遍适用,在120 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)均大于0.2,畸变小于5%。为消除角膜反射产生的严重杂散光,提出采用LED环形光源改进传统科勒式照明光路,不仅保证眼底照明均匀,而且大大提高了系统的光能利用率,降低了光学系统的复杂程度。为了解决传统系统中接目物镜杂散光无法消除的难题,提出采用偏振分光棱镜代替系统中的分光镜,同时在接目物镜前端加入λ/4波片,消除了99.5%以上的由接目物镜反射产生的杂光。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。     

800万像素手机镜头的设计

 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25 mm,后工作距离为0.5 mm。采用APTINA公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3 264×2 448,最小像素为1.4 μm。设计结果显示：各视场的均方根差（RMS）半径小于1.4 μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2 %,TV畸变小于0.3 %。     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。