用于集成成像3D显示的曲面微透镜阵列设计与仿真

针对集成成像3D显示观看视场范围小的问题和微透镜之间间隙的杂散光干扰导致的显示质量下降问题,提出了适合柔性显示及曲面显示器的曲面针孔/微透镜阵列结构.采用TracePro光学仿真软件对基于曲面针孔/微透镜阵列的集成成像3D显示的记录和重构过程进行仿真,结果显示:在记录和重构阶段,曲面针孔/微透镜阵列可以有效地减少透镜阵列之间杂散光引起的图像质量变差的问题;当记录和重构阶段均用曲面/针孔微透镜阵列时,记录三维物体的视角大,获得重构图像的视场角也相对较高.采用旋转接收屏法获取不同观看视角下的图像质量,当曲面针孔/微透镜阵列的曲面度数为30°时,重构图像质量最好.     

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。     

自由曲面空间光学系统设计研究

对自由曲面的发展及应用做简要梳理,介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状,讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力,阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法,给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果,成像视场76,为远心光路设计,全视场调制传递函数（MTF）优于0.56,适用于空间多光谱成像。     

渐进自由曲面镜片光学性能仿真方法研究

提出了一种渐进自由曲面镜片的光学性能仿真方法,能够在镜片的设计阶段对镜片的光焦度和散光分布进行仿真分析。采用双三次样条曲面拟合法,通过计算自由曲面镜片面型离散点数据局部点云拟合曲面的函数,得到曲面上各点的主曲率,进而得到渐进自由曲面镜片的光焦度和散光分布。结果显示仿真方法得到的镜片光焦度和散光分布图与基于莫尔偏折法原理的FFV软件仿真和实际加工得到镜片的测量结果相类似。     

基于矢量像差的自由曲面光学系统像差特性研究

基于矢量像差理论,提出了以Zernike多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法,推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式,利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致,证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后,应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm,F数6.5,系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25%,成像质量满足使用要求。     

渐进多焦点自由曲面镜片非对称设计內移量对光学性能影响的研究

探究渐进多焦点自由曲面镜片非对称设计过程中,内偏移量对镜片光学性能的影响。推导人眼在观察物体时,双眼汇聚而内转的偏移量计算公式。仿真在同等参数条件下,为实现左右眼平衡设计及在视觉生理上的视像对称,渐进多焦点自由曲面镜片下加光区四种不同的内偏移量产生的光焦度和散光分布图。通过仿真结果得出,不同的内偏移量对镜片的光焦度和散光分布有一定的影响,特别是周边像散区的分布大小;渐进多焦点自由曲面镜片的内偏移量应根据屈光不正患者实际的验光参数计算得到。     

融合光学椭率判据的自由曲面望远镜设计方法

光学椭率是联系天文望远镜光学设计与暗物质探测科学目标的一项核心性能指标,然而目前还没有将椭率作为指标融入光学系统优化设计过程的完整方法。提出了一种融合光学椭率判据的自由曲面望远镜光学设计方法,依据椭率与彗差、像散等非旋转对称像差的关系,提出了椭率关联性较强的像差分量优先校正原则,开拓了主要离轴像差校正后通过MZDDE在评价函数中融入椭率判据的设计思想,结合离轴三反系统中像差节点与椭率节点在优化过程中的演变规律,建立了自由曲面面型Zernike项的优化策略。据此设计了离轴三反自由曲面天文望远镜,系统有效焦距为600 mm,口径为200 mm,视场为4°×4°。通过波像差和椭率的联合优化,成像像质及光学椭率得到了同步有效控制,波像差近衍射极限,椭率最大值为0.030 3,平均值为0.015 6。与从低阶项到高阶项的传统像差校正优化方法相比,该方法采用相对较小的自由曲面偏差,设计的自由曲面望远镜成像质量和椭率性能得到了同步控制,充分发挥了自由曲面的效能,设计效率优势明显。     

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。     

易于多面共体加工的自由曲面离轴三反系统设计

将自由曲面离轴反射系统的曲面加工在同一个基底上实现了多面共体制造,可以有效降低装调难度,进而提升系统的稳定性。提出了一种有柱形轮廓的多面共体自由曲面离轴三反成像系统的设计方法,基于共焦离轴二次曲面实时生成满足离轴共体系统结构和初阶参数要求的初始结构。提出了一种基于曲面采样点位置约束的自由曲面优化方法来控制系统整体外轮廓的形状与大小,使系统的曲面易于实现共体加工。基于光线追迹信息控制系统的焦距,并抑制光线遮拦和光瞳像差。采用Q2D多项式自由曲面进行系统优化,降低曲面检测难度。最终设计了一款高像质、低畸变、易于共体加工的自由曲面离轴三反热成像系统,并根据自由曲面面形特点对该系统进行了公差分析。     

激光准直系统中的杂散光分析与抑制

针对不同光学系统中存在的杂散光所造成的假信号或信号饱和影响,本文结合像面照度分析和消光环抑制的方法,对准直系统进行分析,找到产生杂散光的主要原因,设计了3种不同结构的消光环以消除杂散光。仿真实验结果确定了最优形式的消光环结构,边缘杂散光抑制最大下限值为0.38%,平均抑制值5.68×10~(-4)%;以此模型为基础,进行了杂散光抑制实验。实验结果表明,带有消光环结构的准直系统可以有效抑制杂散光,保证了后续光学系统的功能实现,对其他杂散光抑制系统具有借鉴作用。     

一种新颖的智能眼镜光学系统设计方法

提出采用Fresnel微结构的曲面波导微投影光学系统眼镜设计思想,理论分析了所提光学系统的成像原理,给出了光学设计方法,并运用该方法设计了一套样机,曲面波导板近眼表面(即前表面)曲率半径为140.0 mm,后表面曲率半径为143.5 mm,中心厚度为1.7 mm,材料选PMMA (即有机玻璃),微型显示器选0.23″硅基OLED显示屏,分辨率640×480(象素),出瞳直径选为8 mm,眼点距约为18 mm,视场角9.6°(H)×7.2°(V),调制传递函数(MTF)在空间分辨率30 lp/mm时,中心视场MTF接近0.45,全视场大于0.2。从而验证了该方法的可行性。     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。     

高变倍比中波制冷型连续变焦光学系统设计

采用机械补偿法变焦型式,建立两组元连续变焦光学系统模型,在该模型的制导下,针对中波640×512、像素尺寸15 μm制冷型焦平面阵列探测器,设计了一款立体布局的高变倍比连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.5 μm~4.8 μm,焦距范围覆盖30 mm~500 mm,工作温度范围覆盖-40℃~+60℃,变焦过程中F数恒定为4,系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对系统冷反射进行了详细分析,对凸轮曲线进行优化设计。设计结果表明:该系统在0.8视场内,全温度范围的光学调制传递函数在33 lp/mm处大于0.25,在25 lp/mm处大于0.4;全视场公差作用下系统传递函数在33 lp/mm处大于0.13。该系统具有变焦轨迹平滑,冷反射抑制特性优良,成像质量佳,环境适应性好等优点。     

用于海空目标成像的水下超广角光学系统设计

分析了水下超广角成像光学系统的设计特点。基于鱼眼镜头结构,设计了相对孔径为1/2,水下全视场为105°,焦距为6.8mm,光谱响应范围为可见光波段,采用同心球面罩的水下光学系统。该系统在空气中的全视场MTF在空间频率40lp/mm时均高于0.8;在水中时,在40lp/mm时,均高于0.4,能够满足水下光学系统对整个半球空域海空目标成像的要求。     

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。     

多波段共孔径离轴三反光学系统设计北大核心CSCD

针对军用光电系统对视场范围、图像质量和系统小型化的迫切需求,根据指标要求设计了一种大口径离轴三反光学系统。采用离轴多反式结构消除系统遮拦,缩减结构尺寸,通过引入复杂面型实现大孔径设计,在保证足够分辨率的同时,增大光学系统的视场角,以获得更加丰富的目标特征,提高了系统的目标探测和识别能力。与透射式结构与折返式结构相比,大幅度减小了光电产品的体积和质量,有效减轻了伺服设计负荷,具备隐蔽性好、光谱覆盖范围广、透过率高、视场兼容性强的特点。设计结果表明:电视光路在120 lp/mm处全视场MTF>0.2,短波红外光路在60 lp/mm处全视场MTF>0.3,中波红外在30 lp/mm处全视场MTF>0.15,网格畸变小于0.5%,满足设计指标要求。     

静、动态目标模拟离轴三反光学系统设计

基于单色像差理论,确定同轴三反光学系统的初始结构参数,通过二次曲面系数为0的偶次非球面的高次项之间的平衡,校正离轴系统引起的非对称性像差,同时结合DMD(数字微镜器件)目标生成器,设计出一款采用离轴三反光学系统的平行光管,为坦克承载的被测光电设备提供室内模拟目标。本光学系统的设计指标是工作波段为0.2~1.2μm,有效焦距为3000mm,全视场为2°,F数为8。结果表明,系统各视场的波像差均优于λ/34(主波长λ=0.6328μm),传递函数MTF均优于0.71@36.5lp/mm,接近衍射极限,成像质量好。对系统进行公差分析之后,系统的传递函数值远优于0.6@36.5lp/mm,合理的公差分配使系统加工难度降低,装调检测更加方便容易。     

低畸变宽工作距机器视觉镜头光学设计

机器视觉镜头参数要求有别于其他镜头,为了保证测量精度,要求镜头的光学畸变很小甚至接近零,有的工作场合还要求有很宽的工作距等。设计一种机器视觉镜头,使用8枚球面镜片,采用固定后组,移动前组的调焦结构,实现了在空间频率120 lp/mm处,工作距从无穷远到超近摄0.1 m时,镜头畸变小于0.1%,MTF全视场大于0.4的性能要求。光学系统后组使用了两枚镜片,与后组只有一枚镜片的架构不同,不仅提升了光学性能,还有利于系统的平衡及稳定。整个光学系统没有非球面,也没有高折射率或高阿贝数的特殊玻璃,均为常见的冕牌玻璃和火石玻璃,降低了镜头成本,镜片加工及组装公差范围内量产优良率达90%以上。该镜头光学系统可广泛应用于机器视觉尤其是智能机器视觉行业。     

用于光互连的聚硅氧烷波导弯曲损耗

研究了用于光互连的聚硅氧烷多模光波导直接弯曲时弯曲损耗与圆弧曲率半径的关系。用Marcuse的直波导近似法理论计算了其弯曲损耗,理论计算表明弯曲损耗随模阶数的增加而变大,随半径的减少而变大;光在波导中传输时,总弯曲损耗出现阶跃式变化,并且曲率半径大于4 mm时,波导的弯曲损耗小于1dB/cm。用BeamPROP仿真软件仿真了5、10、20mm三种曲率半径下的传输光场情况。利用数字化散射法测量了其弯曲损耗,实验结果显示曲率半径在5～6mm时弯曲损耗值在0.55～0.8dB/cm之间,考虑所制备的聚硅氧烷直波导固有的传输损耗,实验值与理论值基本相符。     

500万像素虹膜识别镜头设计

随着虹膜识别技术的深入研究,虹膜识别技术有望在移动支付领域被广泛运用。针对目前虹膜识别镜头体积和质量较大,使用Zemax光学设计软体设计一款三片式非球面结构紧凑的500万像素虹膜识别镜头。该镜头工作距离是170 mm ~250 mm,F#为3,镜头总长为4.43 mm,光学畸变小于2%,TV畸变小于0.5%,相对照度最低大于0.6。匹配使用APTINA公司一款0.635 cm(1/4英寸)CMOS, 奈奎斯特频率为357 lp/mm, 在1/2奈奎斯特频率处MTF均大于0.2,总像素可达到500万像素。最后对镜头进行了像质评价和容差分析,结果表明,该镜头满足各项光学指标要求。