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。     

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。     

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%.     

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。     

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。     

高视放大率军用瞄准目镜的设计

为了满足现代军事对于瞄准镜的需求,设计了一种高视放大率军用瞄准目镜,分析了大倍率目镜的像差特性和设计难点,选择使用正-正-负的结构形式。在Code V软件中进行了仿真和优化,最终设计的系统视放大率为16×,焦距为15.62 mm,出瞳直径为6 mm,出瞳距离为25 mm,靶面尺寸为1/3″,系统总长40.4 mm。结果表明,系统在40 lp/mm处的MTF均达到0.2以上,全视场内的畸变小于5%,满足目镜光学系统像质要求。     

基于LCoS的头配显示器光学系统研究

头盔式显示器的迅猛发展对系统重量和成像质量方面提出了更高的要求。文章采用LCoS作为头配显示器的显示器件,同时利用衍射光学元件独特的负色散特性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,在改进的Erfle目镜的基础上引入二元衍射面,台阶深度为0.142μm,总的环带数为253,最小特征尺寸为3.31μm。优化设计了具有30°视场,30mm有效焦距,8mm瞳径,25mm出瞳距离的目镜系统,其MTF值在全视场内整体上大于0.25,并且重量缩小为原Erfle目镜的1/8,大大减轻HMD光学系统重量,并提高了成像质量。     

广角70°视场折/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 [英文作者单位],垂轴像差对于0°、49°和70°视场分别降低了30 %、16 %和20 %;系统的重量和尺寸有了很大的改善,分别降低了57 %和10 [英文作者单位],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.     

基于衍射光学的头盔显示光学系统

基于一个传统五片式Erfle透镜头盔显示光学系统,通过引入一个衍射光学面,设计了一款改进型的三片式头盔显示光学系统。与传统系统相比,改进系统总长缩短了28.6%,总质量减轻了36.1%,实现了整机系统的小型化和轻量化。改进系统出瞳距离为20 mm,出瞳直径为12 mm,轴向球差小于0.06 mm,场曲小于0.5 mm,畸变小于2%,MTF在30 lp/mm处基本都大于0.4,满足头盔显示光学系统的要求,为头盔显示光学系统的轻小型设计提供了一种新途径。     

紧凑型折反式头盔光学系统设计

为适应近年来头盔显示器微型化和轻量化的发展需求,设计了一种紧凑型折反式头盔显示器光学系统。通过减小分束镜倾角使整个棱镜更薄;系统引入双胶合透镜和非球面,用以消除系统色差及其他像差;所有元件采用胶合方式实现一体化结构,更加紧凑,便于装调。设计的光学系统技术指标为视场角27.0°×20.4°,出瞳距离25 mm,出瞳直径12 mm,后截距大于5 mm,眼分辨率满足在40 lp/mm时的调制传递函数(MTF)值大于0.5,系统畸变小于0.5%。分析结果表明,该系统具有良好的成像质量,系统像差特性满足目视系统的成像要求,可广泛应用于虚拟现实的各个领域。     

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...     

折衍混合长波红外光学系统消热差设计

分析了温度变化对红外光学系统结构参数的影响,给出了红外光学系统消热差设计应满足的条件,讨论了衍射光学元件的温度特性,并将其引入到红外光学系统的消热差设计中.利用ZEMAX软件,设计了一套由锗和硫化锌组合的三片式折衍混合长波红外光学系统,其工作波段为8~12 m,视场为10.2,焦距为45 mm,F/#为1.5,总长为70 mm.设计结果表明,该镜头在-40~60 ℃温度范围内成像质量接近衍射极限,系统全视场调制传递函数在特征频率20 lp/mm处高于0.6, 87%的能量集中在探测器的一个像元内,实现了消热差设计.该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻等优点,适用于军事或空间红外系统.     

基于折/衍混合的机载红外光学系统设计

为实现机载红外光学系统大口径、长焦距、轻量化、高像质、非热敏化的技术要求,通过对反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,选取卡赛格林光学结构型式,提出一种基于折/衍混合的机载大口径长焦距非球面红外光学系统。经过初始结构计算,并利用ZEMAX软件进行优化,设计出一款焦距1200 mm、口径260 mm的折/衍混合红外光学系统,遮拦比18%,在空间频率10 lp/mm处,调制传递函数(MTF)达到0.45,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在20μm以内,在-50^+70℃温度范围内实现非热敏化。该系统结构简单,由两个反射镜和一组透镜组成,设计结果满足各项任务指标,对机载红外光学系统的进一步研制具有重要意义。     

调制传递函数在光学相机支撑设计中的应用

为指导遥感相机主次镜支撑桁架的设计,以满足整系统调制传递函数(MTF)为目标,分析系统各环节MTF对整机的影响,确定以光学衍射限传递函数为约束设计系统主体支撑结构。由在轨产品的实测MTF及装调、电子学的传递函数因子推出杆支撑条件下的光学衍射限传递函数最小值,指出光学软件不能全面评价遮拦对光学衍射限传递函数的影响,确定以光瞳函数计算不同遮拦时光学系统衍射限传递函数,得出三杆时杆直径最大为38mm,四杆时杆直径最大为26mm的遮拦分布。通过有限元计算两种结构布局下杆不同壁厚的系统静载变形及模态频率,认为直径26mm、壁厚4mm的四杆结构,支撑结构质量从现有40kg减至4kg,静载变形水平放置25μm、竖直放置0.85μm,系统基频98.9Hz,一阶扭转频率183Hz,满足卫星载荷设计要求。     

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。     

反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计

头盔显示器（HMD）作为一种头戴目视设备,具有小型化、轻量化的特点,同时为了获得良好的佩戴体验,要求合理的出瞳距、出瞳直径以及视场。为了同时满足头盔显示器的上述要求,采用紧凑的双反射镜结构来满足头盔显示器对体积和重量的要求,应用自由曲面增加设计自由度来校正大视场和非旋转对称结构引入的像差,并阐述了自由曲面补偿非旋转对称光学系统像差的基本原理以及该光学系统的设计方法与过程。该光学系统无色差,视场为5025,出瞳大小为8 mm,出瞳距大于27 mm。在奈奎斯特频率处全视场的调制传递函数大于0.4,可应用于新一代头盔显示技术。     

头盔显示器光学检测系统

为了对头盔显示器的目视系统做出整体性的评价,提出了一种简单可行的头盔显示器检测方法,设计了用于检测的光学系统。根据头盔显示器与检测系统光瞳匹配的需求,在设计中采用目镜结构的成像镜头,通过一片树脂非球面镜片实现了镜头的无畸变成像。检测系统的视场角为50°,入瞳大小为4mm,畸变量<0.1%,在-4D～3D头盔目镜测试条件下都能保持很高的成像质量,可以满足不同屈光度下头盔显示器目视系统的测试需要。     

大视场虚拟现实头戴显示器光学结构设计

为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求,采用逆向设计方法,通过理论计算与软件仿真,设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明,每个通道采用3片非球面透镜,全视场角为90°,出瞳直径为8mm,出瞳距离为13mm,在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3,最大畸变为6.1%;与参考文献相比,此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。     

衍射望远镜光学系统设计

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1 000 mm,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0.65~0.75 ?滋m波段,0.02°×0.035° 视场范围内,得到了消色差,接近衍射极限的成像质量。