大出瞳距大视场LCD型景象模拟器光学系统设计

可见光景象模拟器是电视制导系统综合测试的核心设备。设计了一款以LCD为图像源的大视场和大出瞳距的可见光景象模拟器,包括光学投影系统和相应的照明系统。研究了大出瞳距、大相对孔径情况下无限远投影光学系统的像差特性以及设计方法,采用非远心的系统设计方案,解决了由于出瞳距大而造成的系统像差难以校正的问题,增强了景象模拟器对转台的适应性,增大了工作视场。研究了非远心状态下LCD均匀照明的特点,采用复眼透镜阵列与柯勒照明原理相结合的方法设计了配套的照明系统,解决了非远心状况下均匀照明和光瞳衔接的问题。仿真系统的全视场角为7°,F#为3.1,出瞳距离为700 mm。系统的畸变小于0.5%,在奈奎斯特频率58 lp/mm处,零视场的调制传递函数大于0.7,全视场的调制传递函数大于0.45。照明系统的照明均匀度达到了91.3%,满足仿真均匀性的要求。     

高对比度中/长波红外双波段视景仿真系统光学设计及测试实验

为了实现中/长波红外双波段制导系统的性能测试与评估,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,系统包括投影镜头和照明系统。利用非球面技术和大出瞳距、无穷远投影系统的像差特性,采用常规的红外材料,通过光焦度的合理分配与非球面像差校正的优势相结合,解决了双波段、大出瞳距离带来的彗差、像散、畸变和色差的平衡问题。采用阿贝式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,有效地控制了杂光的影响,提高了光能利用率。设计结果显示:最终仿真系统全视场角为2,出瞳距离为250 mm,出瞳直径为70 mm,系统畸变小于0.2%,系统双波段的调制传递函数曲线均接近衍射极限;照明均匀性高于95%。系统实验测试表明:在黑体温度为300 ℃时,模拟温度最低为31.6 ℃,最高为250 ℃,温差为215.4 ℃,系统的对比度达到0.98,像面均匀性高于98.1%。仿真系统具有高对比度,宽温差和图像逼真的特点。     

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。     

红外双波段光学系统被动式消热差设计

为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。     

红外双波段共光路环形孔径超薄成像系统设计

针对中长波红外双波段系统的元件数量多、结构复杂等问题,分析了环形孔径超薄成像系统的结构特点,给出了系统初始结构遮拦比的计算方法,并设计了一种适用于中长波红外双波段的共光路环形孔径超薄成像系统,焦距为50 mm、全视场为14°、F数为1。系统仅由单一光学元件构成,结构简单且光路紧凑,其轴向尺寸与焦距的比值为0.48。在空间频率20 lp/mm处,中波红外3~5 μm波段的全视场调制传递函数大于0.45,长波红外8~10 μm波段的全视场调制传递函数大于0.30,同时实现了?40~80 ℃温度范围内的红外双波段无热化。通过公差分析可知该系统具备可加工性,且基底材料为红外硫系玻璃,可以通过精密模压的方法进行批量化生产。该研究为低成本、小型化红外双波段系统的实现提供了新的思路。     

大视场小型无热化长波红外镜组设计

跟随红外镜头小型化、大视场化的趋势,利用ZEMAX设计了一款大视场无热化小型长波红外镜组。系统匹配384×288@17μm的非制冷型长波红外探测器,工作波段为8～12μm。系统F数为1.6,相比于传统红外镜头,视场角更大,全视场达72°,尺寸更小,总长仅为6.96 mm。主镜头仅用3片镜片,通过两种红外光学材料的搭配以及6面非球面实现像差的校正和光学系统的无热化,工作温度范围覆盖-40～60℃。仿真结果表明,在空间频率15 lp/mm处,全视场的调制传递函数大于0.5,空间频率30 lp/mm处,全视场调制传递函数大于0.15。同时为了增大红外探测器的填充因子,提高能量利用率,在系统中搭配设计了放置于红外传感器前的微透镜阵列。实现了红外光学系统的小型化,为红外热像仪在智能手机上的应用提供了解决方案。     

红外双色三视场光学系统设计

从分析红外材料在双波段上的色散特性出发,设计了一款共光路红外中、长波三视场光学系统。系统采用二次成像方式,满足100%冷光阑效率,在两个波段内同时完成了系统各视场的像差校正。设计结果表明,系统在4~5?m中波红外波段及8~9?m长波红外波段焦距、视场及F数均保持一致,各视场光学传递函数在20 lp/mm时均接近衍射极限。     

双DMD变焦红外双波段场景模拟器光学引擎设计

为仿真现实场景中目标和干扰的光谱分布差异,设计了一种基于双数字微镜器件(DMD,Digital Micro-mirror Device)的双通道、共口径、变焦光学引擎,包括投影光学系统和两套照明光学系统.光学引擎以红外中波和长波柯勒远心光路分别直接照明两DMD靶面,采用空间立体布局避免不同光路间干扰.设计结果表明:照明光学系统的照度均匀性优于94%;中波(3.7~4.8μm)和长波(8~12μm)内,变焦投影光学系统在10 1p/mm处的调制传递函数(MTF,Modulation Transfer Function)值分别优于0.7和0.4;系统畸变小于0.5%,满足使用要求.     

大视场可见红外一体化光学系统设计

使用光学设计软件设计了一种大视场可见红外一体化反射式光学系统,可见光和红外视场的大小分别为5.2和5.12。在光学系统的轨道高度为675 km的情况下,可对地面目标进行61.3 km和60.36 km的大幅宽观测。在光学系统采用偏视场设计将可见光和红外光的视场进行分离,可以实现双光路、双波段、双视场同时成像观测,避免了使用分光装置对光能量吸收造成损失,提高了光能利用率。可见光系统选用一个焦距为9 000 mm的三反系统,红外光学系统选用两个三反系统,后置三反系统的入瞳与前置三反系统的出瞳位置重合,系统总焦距为2 025 mm。经过优化,可见光系统的MTF在50 lp/mm达到0.45以上,红外系统的MTF在25 lp/mm达到0.65以上,成像质量均达到衍射极限。     

制冷型中/长波红外双波段一体化全反射式光学系统设计

为避免透射式系统存在的色差问题,采用离轴反射式光学系统,在三镜后加分色片,分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上,实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由3个离轴反射镜和一个分色片构成,为校正系统像差,三镜采用XY多项式曲面。采用二次成像结构形式,具有100%冷光阑效率。系统F数为2.67,视场角11.4°×1.8°,工作波段为中波3.55~3.93 μm,长波10.3~12.5 μm。中波红外系统MTF平均值大于0.5@25 lp/mm,长波红外系统MTF平均值大于0.4@12.5 lp/mm,采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿,温度适应范围为-40℃~+60℃。     

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...     

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...     

高分辨率像方远心连续变焦投影镜头的设计

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求,设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm,F#为2.4,工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点,通过选择反远距的双高斯结构,控制像方远心度,通过采用不同材料搭配,并借助CODE V的玻璃专家优化功能,反复迭代优化,最终,得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明:该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4,各视场RMS弥散斑直径小于8.5 m,畸变小于2%,短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计,结构紧凑,成像质量好,畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制,可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。     

满足双视场需求的红外模拟光学系统的设计

简述了红外场景产生的技术背景以及基于液晶光阀实现可见光到红外视频图像转换的模拟器的总体结构。重点介绍了一种适用于两种不同视场的红外光电系统测试与评估的动态红外场景模拟器光学系统的设计,其中包括变倍透镜的选择和准直投射光学系统的设计。从理论上分析了利用变倍透镜的变化写入不同放大倍率的可见光图像,来满足视场变化需要的方法;从光学指标的确定,结构、材料的选取到最终光学性能,阐述了准直投射光学系统的设计。此投射光学系统工作在8～ 12 μm , 焦距271.69 mm,视场为±4°,入瞳距150 mm,后工作距离139.2 mm,点列图和传递函数曲线表明此投射光学系统像质达到理想状态。最后分析了光学系统性能参数与指标要求的符合。在满足设计指标的前提下,和变焦系统相比,该光学系统结构简单、成本低、可行性高。     

轻小型立体相机光学系统研制

针对民用低成本立体成像的应用需求,设计了一种轻小型立体成像相机光学系统,旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像,该光学系统在焦面探测器配合下,既可实现立体成像,又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f'=32 mm,视场角2=66,相对孔径D/f'=1:6.8,工作谱段450~750 nm。光学系统设计中,采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式,最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm,几何畸变小于0.1%,边缘视场与中心视场照度比0.83,边缘视场与主光线入射角小于15。光学系统采用精密定心装配,并对成像质量进行了检测,装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm,满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。     

折叠式微型数码镜头的设计

设计了一款折叠式微型数码镜头。该镜头的F数为3,视场角为52°,总长度为6.67 mm。该系统具有良好的成像品质。子午和弧矢MTF曲线在0.73视场、空间频率为285 lp/mm值大于0.3,系统的畸变约为-1.3%,该系统在最大视场处的相对照度约为70%左右,横向色差在0.9视场附近最大,约为0.42μm,小于单个像...     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

全向凝视光电成像系统鱼眼透镜的设计

为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警,以大视场成像理论和像差理论为基础,采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性,通过光线追迹减小系统轴外像差,对系统成像质量进行多次评价与分析,并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明,在可见光波段,得到了成像质量良好的鱼眼透镜,CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm,有效像素为2448×2050,视场为180°,焦距为2.24mm,相对孔径为1:2.8,像面照度均匀性达到90%以上,点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元,光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。