广角70°视场所／衍混杂目镜设计

以传统 4片 70°视场蔡司目镜为基础 ,用折 /衍混杂单透镜代替系统中的双胶合透镜 ,给出了衍射面分别位于单透镜两面不同位置时的折 /衍混杂目镜系统。结果表明 ,所设计的折 /衍混杂系统优于传统蔡司目镜 ;垂轴色差降低了 1个数量级 ,像散降低了 34% ,垂轴像差对于 0°、4 9°和 70°视场分别降低了30 %、16 %和 2 0 % ;系统的重量和尺寸有了很大的改善 ,分别降低了 5 7%和 10 % ,该折 /衍混杂目镜满足现代化广角 70°视场的头盔系统的一般要求     

用于人工因素—目视系统参量研究的折—衍混杂系统

基于Erfle目镜设计了一个折－衍混杂目镜，该目镜不仅在像差特性有很大改善，而且在结构上更趋向轻、小，其焦距、视场、出瞳距离及出瞳直径均满足头戴显示系统（HMDs)的要求，镜头直径亦满足双目系统筒间距的要求；同时选取Cooke3片镜作为中继物镜，对254mm液晶显示屏成像，构成了用于人因素－目视系统参量研究的折－衍混杂系统，并且满足系统参量可调的要求。     

用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜

衍射光学元件具有独特的负色散性质和以其任意的相位分布实现对光波面的任意相位调制的特点,用在光学系统中可大大简化系统结构,而光学塑料在进一步减轻系统重量方面有优势。设计了应用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜,其有效焦距为30mm,视场角为40°,出瞳距离为20mm,出瞳直径为8mm,由三个折射透镜和一个衍射面组成。该目镜的最大镜头直径为26mm,总重量为7g。对于目镜中需要重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.58mm和18μm,而最大畸变也仅为3.3%;角分辨率为0.44mrad,小于人眼的最小角分辨率。     

单透镜移动的红外双视场光学系统设计

结构简单、视场变化范围大的红外双视场系统在红外领域中的应用越来越广泛.采用折衍混合系统设计了具有大变倍比的红外双视场光学系统.该系统的主要参数为:波段3.7～4.8 μm,变倍比为10:1,F数为4,双视场分别为0.6°×1.7°和5.4°×15.9°,透镜总数为6片.系统的透镜数量少,成像质量高,移动单个透镜实现视场的转换,系统结构简单.     

长出瞳距折衍混合目镜系统的设计

针对工作在一定入射角度范围内的衍射光学元件,提出了复合带宽积分平均衍射效率的计算公式。为了满足军用仪器上瞄准镜的光学性能需求,设计了两个结构参数相同的50 mm长出瞳距的目镜。目镜系统的焦距为25 mm,视场角为30°,出瞳直径为8 mm。基于Erfle目镜结构形式,首先设计了一个传统折射式长出瞳距目镜。在此基础上,引入单层衍射光学元件,设计了一个折衍射混合式长出瞳距目镜。该混合目镜的畸变小于7.77%,在40 lp/mm处,中心视场的MTF(调制传递函数)高于0.85,最大视场的MTF高于0.2。系统中采用的单层衍射光学元件衍射面上的入射角度为0°～30°,对应的复合带宽积分平均衍射效率为95.23%。对比折射式目镜,折衍射混合目镜不仅成像质量得到改善,而且总长减小了22.87%,重量减轻了38.79%,具有结构紧凑、重量轻等特点。     

折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统设计

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为:视场60°,工作波段0.8～1.06μm,焦距30mm,后工作距离30mm。设计结果表明,在42lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。     

一种新型微光夜视仪目镜系统设计

为解决传统微光夜视仪目镜系统高性能与轻量化之间的矛盾,提出了一种新型的折射/衍射混合自由曲面微光夜视仪目镜结构,以传统艾菲尔目镜为基础,应用Zemax 软件设计了新型微光夜视仪目镜系统,系统由三片透镜组成,都采用K9 玻璃,将设计结果与传统艾菲尔目镜的光学性能进行了比较,结果表明,新型目镜系统不仅在垂轴像差、垂轴色差、畸变、场曲等光学性能上大大优于传统目镜系统,而且在重量和总长方面也得到了较大的改善,满足现代微光夜视仪目镜小畸变、轻量化、高像质的实际需求,为微光夜视仪目镜的轻小型设计提供了一种新的思路。     

折反式中波红外双视场变焦系统无热化设计

利用折/衍混合透镜实现了宽温度范围双视场变焦系统的光学被动无热设计。系统工作波段为3～5 m,使用320240红外制冷探测器,像元大小为30 m30 m,焦距为400 mm和800 mm两档,F数分别为2和4。两系统通过机械结构改变冷光栏大小分别实现100%冷光栏效率。在两档共用组份采用一片折衍混合透镜,对双视场系统两焦距位置消热差,实现了一个衍射面对两档系统的无热化设计,结构简单。设计结果表明:在-40 ～60 ℃温度范围内,空间频率18 lp/mm处系统MTF值接近衍射极限,成像质量良好,实现了双视场变焦系统的无热化设计。     

长波红外大相对孔径光学系统设计

介绍了F数为1.25的长波红外光学系统,系统采用非制冷长波红外焦平面阵列探测器.在8～12 μm波段、全视场为10°的条件下,分别设计了四片式折射物镜(Ge/Ge/ZnSe/Ge)和三片式(Ge/Ge/Ge)折衍混合物镜,有效焦距为70mm,F数为1.25.设计结果表明三片式折衍混合物镜的成像质量比四片式折射物镜好,且使用的镜片数更少.     

同心反射式手机镜头相对照度改善方法

为了提高同心透镜的轴外视场照度，通过在同心透镜内部设置一个基于全内反射的虚拟光阑，可使系统的能量分布更加均匀，进而改善同心透镜的成像性能。结合虚拟光阑的建立条件以及手机镜头要求，计算了一个基于反射式同心透镜手机镜头的初始结构，优化后的系统焦距2.7 mm，最大视场角±50°，系统F数1.8，总长2.7 mm。照度分析结果表明，利用传统孔径光阑的手机镜头相对照度随视场增大逐渐下降，最大视场仅为0.64；采用虚拟光阑的手机镜头在0°～28°视场的相对照度保持不变，全视场的相对照度在0.85以上。可见，采用虚拟光阑的手机镜头全视场照度的均匀性得到了明显改善，可有效提高系统的成像性能。     

用于头盔微光夜视仪的折/衍混合光学系统设计

选择有效输入／输出直径为18／18mm的像增强器,设计了用于头盔微光夜视仪的光学成像系统。将二元衍射面引入传统的双高斯型物镜系统,得到视场为40^o,相对孔径为1．00/1．25的折／衍混合物镜。有渐晕系统和无渐晕系统的性能比较的结果表明．有渐晕的折／衍物镜能更好地满足要求,其重量仅为25g,二元面的最小特征尺寸为19μm,在全视场内的光学传递函数良好。同时设计了相匹配的目镜系统,其出瞳直径为10mm,出瞳距离为25mm。物镜和目镜之间实现畸变补偿,系统结构紧凑,重量轻,各性能参数均达到预定指标。     

CO2激光雕刻机的折/衍混杂f-θ镜设计

以工作于CO2激光主波长的传统两片球面透镜型f-θ镜为基础,引入衍射面实现消色差,设计了工作于可调谐CO2激光的波段范围9.0～11.0 μm的f-θ镜.结果表明,所设计的折/衍混杂f-θ镜不仅很好地工作在所要求的波段范围内,而且单色像差比原单波长f-θ镜有所提高,像面上的光斑在各个波长和视场上大小均匀.系统像差在各个波长上都接近或达到衍射极限,具有精确的光学扫描特性.     

光电子技术

O432008010319衍射望远镜光学系统设计/张楠,卢振武,李凤有(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室)//红外与激光工程.―2007,36(1).―106～108.当前对空间望远镜光学系统的要求是:在宽光谱范围内,系统具有分辨率高、质量轻等特点,衍射望远镜可以满足上述要求。利用Schupmann提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖,采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化,降低了成本。设计了一个物镜口径为1000mm,f/#=100,用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜。设计结果表明:系统在0.65～0.75μm波段,0.02°×0.035°视场范围内,得到…     

基于PWC方法的折衍混合红外物镜设计

折衍混合设计为选用廉价材料设计像质优良的红外物镜提供了新的途径.基于衍射结构的高折射率模型和传统的PWC方法,分析了折衍混合红外单透镜的光焦度分配和二级光谱;在8~12μm波段,采用GASIR2和AMTIR1红外玻璃,分别设计了可模压生产的折衍混合单片型和Petzval型红外物镜.结果表明:采用新型红外玻璃的折衍混合设计可以代替锗材料设计出具有大相对孔径,且像质优良而廉价的红外物镜.     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

轻量化折衍混合中波红外热像仪光学系统设计

基于一个传统的折射式中波红外热像仪,采用CODE V软件设计了一个轻量化折衍混合热像仪光学系统,该系统采用全硅材料,衍射面设计在硅透镜聚乙烯涂层上,混合系统光学参数为f'=150 mm,F/#=2.0,2w=4.6°,波长范围3.7～4.8μm.精确计算了衍射光学元件的面形参数,得到衍射环最小周期为1 405.2μm.对传统折射式热像仪和折衍混合热像仪的像差特性进行了对比,结果表明:折衍混合热像仪的像质较传统折射式热像仪的像质得到明显改善.折衍混合热像仪的重量仅为传统折射式热像仪重量的40%.     

离轴反射式头戴显示光学系统的自由曲面设计方法

为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点,然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面,直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构,最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最佳拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程,计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统,单反射面系统的出瞳直径为3 mm,视场角19.12°×14.4°;双反射面系统的出瞳直径为8 mm,视场角23°×16°。设计结果表明,用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统,其成像质量良好,系统结构紧凑。公差分析表明,引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。     

CO2激光打孔的折衍混合f-θ 透镜设计

激光打孔广泛应用于印刷电路板处理等领域,在该技术中f-θ透镜起到扫描成像的重要作用。利用折衍混合系统设计了f-θ透镜，在满足性能要求的前提下，减少了透镜的个数，降低了系统成本。该系统采用像方远心光路，工作波长为9.25 μm，打孔直径50 μm，深度182 μm，扫描面积达70 mm×70 mm。     

基于虚拟现实的头盔显示目镜系统设计

基于Erfle透镜结构,设计了可用于头盔显示系统的传统折射式目镜.在此基础上添加了衍射面,设计出了折衍射目镜.这两种系统的基本结构参数相同,出瞳距为27 mm,出瞳直径为8 mm.与传统折射式结构相比,折衍射目镜的总长度减小了11％,重量减轻了约23％,畸变减小了59.45％.考虑到衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率对...     

沉浸式头戴显示器光学系统设计

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量等要求,采用非球面透镜设计了1种3片式虚拟现实头戴显示器光学系统,对光学系统进行了公差分析。结果表明,光学系统的平均调制传递函数(MTF)值均满足传递函数的要求;系统视场角为90°、出瞳直径为8mm、系统重量为33.67g、总长小于60mm、频率为9.31lp/mm时的MTF值均优于0.272,最大畸变为8.17%,最大垂轴色差为36.2μm,小于一个像素尺寸;与已有研究相比,增加了视场角、出瞳直径和出瞳距离等参量的信息,提高了成像质量。该研究为沉浸式头戴显示器的光学设计提供了参考。