基于ZEMAX的3D虚拟头盔显示器的光学设计方法研究

根据目镜光学系统原理,采用ZEMAX软件来确定3D虚拟头盔光学显示系统的结构设计方法研究和性能优化。给出了具体设计实例,设计结果表明,3D虚拟头盔光学系统的总长小于49mm、垂轴像差小于60μm、轴向球差小于0.1mm、倍率色差小于20μm、场曲小于0.4mm、畸变小于5%、MTF在30lp/mm大于0.32,总体质量满足3D虚拟头盔显示器的要求。     

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。     

星跟踪器光学系统的优化设计

在星光制导的空间飞行器中，为准确确定空间方位信息，提高导航系统的精度，对星跟踪器光学镜头设计提出很高的要求。针对精度要求，设计了一种新型星跟踪器的光学镜头，系统地阐述了星跟踪器的工作原理，通过光学设计及相差分析，使光学系统的畸变小于0.2％、轴向球差小于0.1,该设计满足用户对高精度天文导航系统的需求。     

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。     

大相对孔径高分辨率手机镜头设计

为了满足市场对手机镜头大相对孔径高分辨率的需求,采用E48R和LEXANH两种非球面塑料透镜,应用光学设计软件Code-v设计了一款大相对孔径高分辨率手机镜头。该手机镜头由5片非球面塑料透镜、1片红外滤波片、1片保护玻璃组成,其中第1片和第4片透镜为正透镜,第2片、第3片和第5片透镜为负透镜。结果表明,空间频率350lp/mm处,所有视场的调制传递函数(MTF)均优于0.2,0.7视场内的MTF均优于0.34,全视场内的场曲小于0.02mm,畸变小于2.55%。该研究为类似系统的设计提供了一定的参考价值。     

航空多角度偏振成像仪及其光学系统设计

航空多角度偏振成像仪采用面阵CCD探测器进行画幅式成像,分时获取三个偏振方向图像的工作方式,并最终解析出偏振信息.光学系统设计充分考虑了该系统的特点,设计出了全视场80°的像方远心超低畸变的镜头,满足了航空多角度偏振成像仪的系统要求.     

用粒子群算法设计的5镜系统与ZEBASE中5镜系统比较

将粒子群算法用于5片镜光学系统的设计优化中。由球差、像距、畸变、场曲、彗差和光线弥散值构成光学评价函数,用这个评价函数作为粒子群算法的适应度函数,优化设计了一结构简单的5 片镜系统,并把此5 片镜系统与ZEBASE 中5 片镜系统的球差、畸变、子午场曲、弧矢场曲、子午光线弥散值、弧矢光线弥散值、子午彗差、弧矢彗差进行了对比。对比结果显示,用粒子群算法设计的5片镜系统的球差、畸变、子午场曲、弧矢场曲、弧矢光线弥散值较小,ZEBASE 中五片镜系统的子午光线弥散值、子午彗差、弧矢彗差较小。设计实例表明,粒子群算法可以克服现有光学设计软件高度依赖具体初始结构的缺点,可以自由控制结构参数的搜索范围,从而提高光学系统设计的智能化程度。     

基于虹膜识别的小畸变手机镜头设计

为了获得高质量的虹膜图像,采用光学设计软件ZEMAX设计了一款手机虹膜识别镜头,该镜头由4片塑料非球面透镜组成,工作距离为200~330mm,总长为4.09mm,F数为2.4。设计结果显示,工作距离为275mm时,镜头在1/2奈奎斯特频率处的调制传递函数大于0.4,光学畸变小于0.6%,相对照度大于83%。通过像质评价及公差分析可知,该光学系统的畸变小,可变工作距离大,像质优异且性能稳定,可以满足虹膜识别镜头的加工要求。     

小型化同心反射式手机镜头设计

基于现代社会对手机镜头高像素、小型化的要求,基于同心透镜原理设计了同心反射式手机镜头。通过光路计算,求解了系统的球差表达式,进一步获得了系统的初始结构。利用光学设计软件设计了光学系统,镜头采用像元大小为1.25 μm的曲面传感器,光学系统的F数为1.8,焦距为2.7 mm,最大全视场角为100°,系统总长为2.7 mm。设计结果表明,在空间截止频率400 lp/mm处,0.7视场的调制传递函数均大于0.34,全视场的调制传递函数均大于0.23,各视场的弥散斑半径均小于艾里斑。在全视场内,相对照度高于0.64,该设计满足手机镜头成像要求。     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.458.45（对角线视场角为11.96）,总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在2 m内,能量集中度（33像元内）大于80%,最大倍率色差为-0.073 m,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。     

Design of aplanatic waveguide Fresnel lenses and aberration-freeplanar optical systems

A modification of the waveguide Fresnel lens design that has phase-shifting zones placed on the curved contour is suggested. It is shown that the selection of a suitable shape for this contour allows coma aberration to be eliminated. Computer simulation results are presented to demonstrate the significant improvement of the optical characteristics for curved contour lenses. The aplanatic homogeneous refracting waveguide lenses are also considered. It is found that thick aplanatic refracting lenses and the proposed Fresnel lenses have field curvature aberration of opposite sign. This fact allows planar optical systems free from low-order aberration to be designed by combining refracting and Fresnel lenses. An algorithm for producing such a system is presented     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。     

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。     

鱼眼镜头图像畸变的校正方法

提出了一种校正鱼眼镜头图像畸变的新方法。通过追迹光学系统的主光线,获得它在投影平面上的径向位置与它在像平面上位置之间的关系曲线;然后用傅立叶级数拟合该关系曲线;并求出该级数的逆函数,结果就可以根据畸变图像复原没有畸变的图像。用该方法数值模拟两个鱼眼镜头系统的图像畸变校正;并用其中一个鱼眼镜头（尼康16 mm/F2.8）拍摄的两张图像进行了畸变校正实验。结果表明,当设置投影平面和物平面重合时,恢复的图像相对于物体的残余径向高度误差非常小（小于0.25%）。实验证明了该方法是可行的。     

一种内调焦对心器用电视测微镜头的设计

利用CODE V光学软件设计了一种用于内调焦对心器的电视测微镜头。该镜头由四片透镜组成,采用正负正焦距对称结构。其焦距为17.20 mm,数值孔径为0.063,视场为16.82°。该镜头工作在486～656 nm波段,总长为68 mm。系统的全视场畸变为-1.13%,调制传递函数MTF值在空间频率为60 lp/mm时大于0.64。设计结果表明,该系统的成像质量良好,结构紧凑,满足使用要求。     

一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计

为了满足目前机器视觉工业在线检测提出的更高要求,本文给出了一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计思路.首先,根据系统设计指标,确定较合适初始结构;然后,在双远心镜头成像原理和像差分析方法基础上,应用光学设计软件Zemax对系统像差反复优化设计,最终得到了一款具有高分辨率、低畸变及远心度小等特点的双远心镜头.该镜头系统由1...