自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

自由曲面成像光学系统的设计方法及其应用

得益于自由曲面更多的设计自由度和强大的像差校正能力,人们设计出了众多具有超高性能、紧凑结构及新奇功能的成像光学系统。但自由曲面的数学复杂性以及非旋转对称性也对传统的成像光学系统设计方法提出了很大的挑战。简要概括了自由曲面成像光学系统的发展历史和现状。详细介绍了自由曲面成像光学系统的多种设计方法。分类总结了具有高性能、新结构和新功能的自由曲面成像光学系统在各领域的应用。最后,对自由曲面成像光学系统未来的发展方向进行了展望。     

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。     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

利用CODE V设计含有自由曲面的光学系统

由于自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，使光学系统的结构得到了简化，像质得到了提高。本文通过设计实例详细介绍了在光学设计软件CODE V中运用用户自定义面型UDS（user defined surface）的功能和计算机动态链接库DLL(dynamic link library)软件技术设计含有自由曲面光学系统的方法。通过利用此方法设计了球面和锥面光学系统，验证了其准确性和可靠性。并且利用此项技术设计了含有自由曲面的光学系统，使光学系统达到了质量轻、体积小的设计目标。此项技术扩充了CODE V软件的功能，有效地拓宽了CODE V计算复杂面型的能力。     

大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计

头盔显示器系统由于自身对尺寸和重量有严格要求,采用自由曲面器件可以起到减少透镜片数,从而缩小系统尺寸、减轻重量等作用.针对目前单片式自由曲面棱镜解决方案存在的出瞳直径小,棱镜自由曲面光学面加工定位困难等问题,介绍了一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法,并给出了设计结果.设计方案采用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片...     

自由曲面校正光学系统像差的研究EI北大核心CSCD

利用条纹泽尼克多项式来表征自由曲面的光学元件,并将多项式中表示初级球差、彗差、像散项转换为矢量形式.利用矢量波像差理论,研究了自由曲面光学元件校正光学系统初级像差的特性.通过分析可知,自由曲面在光学系统中不同位置时所校正的像差特性不同.当自由曲面位于光学系统的孔径光阑(入瞳或出瞳)上可以校正光学系统全视场内为常数的初级像差;当自由曲面远离孔径光阑时,由于轴外视场成像光束口径的缩放与偏移,自由曲面可以校正非对称初级像差,且不同初级像差与视场依据关系不同.     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。     

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。     

大视场红外同心光学系统的设计

研究了同心光学系统的成像特性以及设计方法,分析了厚透镜的成像理论。设计了工作在3．7～4．8μm、视场15°的红外同心光学系统,该系统具有接近衍射极限的成像质量。对红外同心光学系统各个视场的传递函数进行了测试,结果表明该系统具有较好的成像质量,且成像特性和同心光学系统的成像原理是一致的。     

投影式头盔物镜设计在视空间的性能评价

对一款折衍混合投影式头盔(Head-mounted projective displays,HMPDs)物镜进行了精确的视空间评价,并给出了详细的评价步骤和评价结果。在对调制传递函数(MTF)进行评价时,充分考虑了人眼的焦距和瞳孔对评价结果的影响,给出了调节和像散所造成的分辨力损失的计算公式。评价结果显示:对于3 mm瞳孔,该系统中心视场调制传递函数在0.5 cycles/(′)达到了0.55,达到了人眼的最小分辨角(1′)。当眼睛注视投影像面中心时,轴外点最大需要0.35D的调节量,由此造成的分辨力损失最大为3.5′。由于像散造成的分辨力损失最大只有1.1′。横向色差和二级光谱最大值分别只有0.57′和0.17′,均小于人眼的最小分辨角。这些结果证明此设计满足投影式头盔物镜的使用需要。该方法适用于所有的头盔系统在视空间的性能评价。     

眼模型下的投影式头盔物镜设计及视空间评价

进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法,应用接近实际情况的眼模型来模拟人眼对头盔物镜系统进行评价。由视空间的评价结果出发,从眼模型的成像效果反过来进一步指导头盔系统的设计工作。设计结果显示,轴上视场和大视场的调制传递函数特性良好,在轴上视场可以达到1′的人眼最小分辨角,在大视场可以达到微显示器单个像素确定的视锐度,表明此系统在视空间的分辨力满足实际使用需要。系统最大畸变小于5%,色差不会对人眼分辨产生影响。     

大口径内扫描红外变焦光学系统设计

设计了一种大口径内扫描三档变焦光学系统。系统工作波段为7.7～10.3μm,焦距为65mm、130mm、390mm,变倍比为6∶1,系统F数为1.67,最大口径为240mm。系统具有较好的成像质量,且对冷反射和扫描温差进行了优化控制,这种变焦光学系统具有大口径、长焦距,能够用于对远距离小目标跟踪的特点,在高性能红外热像仪中得到较好的应用。     

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。     

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。     

数字高速分幅相机中光学分幅系统的设计与分析

使用光学辅助设计软件ZEMAX设计了用于四通道数字高速分幅相机的光学分幅系统,并结合机械设计软件SOLIDWORKS,在ZEMAX的非序列模式下建立了光学分幅系统的三维立体仿真模型。成像质量达到了衍射极限,动态极限空间分辨率为16lp／mm。模拟分析结果表明成像质量理想,符合设计要求。     

利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场,设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸,且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量,该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.     

基于固定校正元件的凝视型共形光学系统设计

为提高凝视型共形光学系统的成像质量,提出了采用共形整流罩内表面设计与Zernike Fringe Sag面固定校正板设计相结合的固定校正方法。根据建立的入射光线与出射光线方向的偏离角与整流罩参数的关系,设计整流罩内表面参数,减小共形整流罩引入的部分像差。在此基础上,利用Zernike Fringe多项式各项与像差的对应关系,构建Zernike Fringe Sag面固定校正板。基于该设计方法设计了一个凝视型共形光学系统,其F数为1,焦距f为30 mm,观察视场为±35°。分析了校正前后系统的像差特性。设计结果表明,该方法有效地减小了共形光学系统存在的主要像差,整个观察视场范围内调制传递函数(MTF)曲线在17 lp/mm处均达到0.748以上,成像质量良好。