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...     

双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm宽波段光学系统中的应用

双层衍射光学元件能够在宽波段光谱范围内工作并具有较高的衍射效率。提出了工作在一定入射角范围内的双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。设计了一种工作波段为0.4~0.9 μm的含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统。其焦距为28 mm,F/#为2,视场达到18°。该系统采用Petzval物镜结构,由四片透镜组成。在60 lp/mm处,其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.67。所用双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm波段内的带宽积分平均衍射效率高于91%。系统中入射到衍射面上的角度为0°~8.62°。该双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率为97.36%。与传统的折射式宽波段光学系统相比,含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统的结构更简单,分辨率更高。     

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。     

含有双层衍射光学元件的红外双波段无热化光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在3.7～4.8mm和7.7～9.5mm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为100mm,F#为2,采用像元数为640×512、间距为15mm的制冷型探测器。该系统在空间频率33lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.52和0.16,最大RMS半径小于9.88mm,波前像差小于0.0705λ,最大离焦量小于焦深,在-40℃～71℃范围内实现了无热化设计。系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率高于99.15%。入射到衍射面上的角度为0°～10°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为97.70%和96.95%。     

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%.     

基于谐衍射理论的0.40～2.50μm宽波段光学系统设计

基于谐衍射光学元件的负色散和消热差特性,设计了一种工作波段为0.40～2.50μm的宽波段光学成像系统。建立了双层衍射光学元件带宽积分平均衍射效率的数学模型。运用Matlab软件确定衍射元件的最佳设计波长。采用BaF₂、AL₂O₃、AL₂O₃-E、普通光学玻璃(KZFSN5、SF57)设计了折衍混合5片式光学结构,并通过合理分配光焦度实现了宽波段共光路共焦面集成。实验结果表明,该系统的有效焦距为100 mm,视场角为9.4°,F数为2.8,在-40～60℃范围内可实现无热化。在奈奎斯特频率50 lp/mm处,0.40～0.78μm波段的调制传递函数(MTF)均大于0.6,0.78～2.50μm波段的MTF均大于0.5。相比基于折射透镜的传统宽波段光学系统,该系统具有结构简单、尺寸小且成像质量接近衍射极限的优点。     

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。     

折叠型超薄光学镜头设计

文章设计了一个环形孔径折叠型超薄相机的光学镜头.相机镜头的焦距为20 mm,视场为16°,等效入瞳直径为15 mm.设计的相机镜头具有较好的成像质量,其全视场调制传递函数(MTF)在奈奎斯特空间频率处达到0.4以上.整个相机仅采用了一个光学元件,光学结构占用的空间极小,总长为8.15 mm,仅为同性能的传统镜头的三分之...     

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。     

基于电阻阵列红外场景投射的准直光学系统设计

详述了一种大出瞳距红外准直光学系统的设计过程.该准直光学系统可以同时向被测系统投射准直的红外目标和干扰辐射信号,工作于中波红外波段,焦距150 mm,视场±4°,出瞳直径100 mm,出瞳距1000 mm.给出了最后的设计结果,光学系统设计接近衍射限,各项性能均达到设计指标要求.