紧凑型增强现实头盔显示器光学系统设计

设计了一种用于增强现实的紧凑型头盔显示器光学系统,该系统视场角26.3°×19.7°,焦距32 mm,出瞳距离20 mm,出瞳直径8 mm。在光学系统中使用衍射面与高次非球面设计,实现了光学系统的轻量化,系统内、外两个光通道的光能量利用率分别为1／4和1／2,光学系统镜头直径小于45 mm,重量小于8 g,不仅在结构上满足使用者头戴要求,而且成像质量接近衍射极限,最大场曲和最大像散分别为45μm和46μm,畸变小于5％,最大垂轴色差值仅为6.9μm,满足增强现实“虚实结合”显示需求。     

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。     

穿透型折/衍混合头盔显示器的光学系统

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的独有特点,在光学系统中引入二元衍射面,给出了出瞳距离为21mm,出瞳直径为8nm,视场角为40°(水平)×30°(垂直)的用于增强现实(AR)的折/衍混合穿透型双目头盔显示器的设计结果。结果表明,该系统具有很高的成像质量,分辨率达到0.7mrad,接近人眼的最小分辨率,垂轴色差小于42μm,且最大畸变小于2%。同时,系统直径小于46mm,系统重量约为16.2g。设计结果满足用于AR的双目头盔显示器的要求。     

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。     

红外双波段消热差系统设计

引入了光学材料双波段的平均规化热差系数 T,建立了在3～5μm和8～12μm两个波段上分离透镜消色差、消热差方程组。得到对该光学系统设计的材料选择具有指导作用的三维无热差图,并利用透视投影原理得到相应的投影无热差图。设计了视场4°、有效焦距61mm、F数为2.5、温度范围在-54～71℃、适用于3～5μm和8～12μm双波段的红外光学系统。该系统在3～5μm和8～12μm波段调制传递函数基本达到衍射极限,在空间频率为10lp/mm时,数值分别为0.87和0.68;当温度从-54℃变化到71℃时,数值波动不到0.01;轴向像差在-54～71℃温度范围内,最大值分别为45μm和93μm,都小于相应波段的系统焦深。因此,设计系统具有非常好的双波段消色差、消热差能力。     

超宽波段透射式中继镜头设计北大核心CSCD

瞄准镜、高温炉内窥镜、复印镜头、大倍率变焦系统等光学系统中,通常采用中继系统实现系统的延长、转向和系统出入瞳的匹配等等。本文探索了一种实现超宽带宽中继光学系统的像差矫正要求、玻璃选择方法以及设计结果,完成了超宽波段中继光学系统的设计,Zemax的设计结果表明,在工作波段0.4~1.7μm,物方NA=0.2,视场为10 mm的要求内,系统的MTF接近于衍射极限,轴向色差小于40μm,成像质量较好。     

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。     

刑侦日盲紫外折衍混合变焦光学系统设计

为了满足刑侦过程中紫外光学系统远距离搜索、近距离拍照的需求,采用二元衍射元件和非球面元件,设计了一种日盲紫外机械补偿变焦光学系统,其中焦距为40mm~80mm,F数为4,工作波段为0.24μm~ 0.28μm。选用S8844-0909型2.54cm紫外CCD,像元尺寸为24μm×24μm,对应视场角为6°~12°。系统由7块透镜组成,结构简单、体积小巧。结果表明,在整个变焦范围内,后截距10mm处,截止空间频率21cycles/mm时,各视场的光学调制传递函数均在0.7以上,接近衍射受限曲线,畸变小于5%,像质优良,像面稳定。该设计能满足光学系统的总体设计要求。     

用于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统

针对所研制的微型拉曼光谱仪的特定要求,数值孔径为0.04和工作波长在781～1014nm,设计了两款与单色仪配套的外光路光学系统:球面系统,非球面系统。收集光路采用单透镜,会聚光路采用"厚双胶合透镜"形式的摄远光学结构,会聚系统的摄远比达到0.59,极大地缩短了系统的尺度。设计结果表明,采用传统球面设计时,光学系统的物方数值孔径达到0.33,点斑半径小于30μm,像面相对照度在80%以上;加入了非球面之后,物方数值孔径达到0.4,点斑半径小于20μm,像面相对照度在80%以上。光学系统总长150mm,满足小型化和便携式的要求。     

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。     

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。     

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。     

中波和长波红外双波段消热差光学系统设计

为了有效提高目标的红外探测与识别能力,设计了能同时对高温和常温目标成像的中波和长波红外双波段消热差光学系统。所设计的光学系统采用柯克型结构,视场、有效焦距和相对孔径分别为5.5°×4.4°、100 mm和F/2,工作波段覆盖中波红外(波长3～5μm)和长波红外(8～12μm)。通过采用光学被动消热差方法,优化设计的镜头可工作于-60～80℃的环境温度,奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)值变化小于0.05。该镜头使用Ge、ZnSe和ZnS 3种红外材料,具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点。     

双波段/双视场红外光学系统设计

研究了双波段/双视场红外光学系统的设计,设计了双波段/双视场红外光学系统,引入衍射光学实现双波段成像,采用移动单个透镜实现视场切换.结果表明,该系统可以实现焦距为37mm/100mm,工作波段为3.7～4.3μm/8 12μm的双波段/双视场光学系统,F数为1.2,在空间频率201p/mm处的光学传递函数值＞0.5.应用结果表明,该系统结构简单,像质好.     

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.     

“日盲”紫外电晕检测变焦光学系统设计

基于电晕检测过程中要求紫外光学系统大视场搜索、小视场探测的需求,针对工作波长范围为0.24~0.28μm的日盲区紫外波段,设计了"日盲"紫外机械补偿变焦光学系统。根据用户要求,其焦距为30~60 mm,F数为3.5,选用PIXIS型1024BUV 1 inch(1 inch=2.54 cm)紫外CCD,像元尺寸为13μm×13μm,对应视场为8°~16°。系统由8片透镜组成,引入两个非球面,使系统具有结构简单、成本低等优点。像质评价表明,在截止频率38 lp/mm处,各视场的光学调制传递函数均在0.7以上,接近衍射极限,畸变小于3%,在整个变焦范围内像质优良,满足用户总体设计的要求。     

像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计

提出了一种新型的像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计构型。该扫描系统体积小、结构简单,具有大视场搜索和小视场分辨的特点。设计了一个红外光学系统实例,工作波段为3.7~4.8 μm,焦距为80 mm,扫描视场为±15°,瞬时视场为5°。系统全视场MTF在17 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根直径小于30 μm,满足光学系统的成像要求。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

50~100 μm太赫兹成像物镜设计

根据太赫兹探测成像用户的需求,设计了一种适用于太赫兹波段的光学系统。其焦距为50 mm,F数为1,工作波段为50~100μm,接收器为非致冷型IRM160A红外探测器,全视场角为11.9°。该系统采用共轴式结构,由3片球面透镜和1片CCD保护玻璃组成,并使用了Topas COC新型材料。另外还引入了1个非球面,以实现系统结构简单、重量轻和成本低的目标。设计结果表明,当截止频率为10 cy/mm时,该光学系统的调制传递函数接近衍射极限,各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径,并具有良好的成像质量,因此能够满足太赫兹光学系统的总体设计要求。