设计了一款便携式39°视场免散瞳眼底相机光学系统, 可以对-10~+15m-1屈光度变化范围内的人眼视网膜清晰成像。采用环形光源照明, 使眼底视网膜照明均匀度达到95%, 也很好地消除了角膜反射。加入的信标系统使得便携式眼底相机光学系统在拍摄时有助于保持人眼与成像系统的同轴度, 进一步提高拍摄视网膜图像的清晰度。通过对成像系统的优化设计及仿真分析, 得到均方根直径小于6.4μm、场曲小于60μm、像散小于50μm、畸变小于3.6%, 在67lp/mm处各视场传递函数值大于0.5和成像系统加工良率高的眼底相机光学系统方案。方案可以应用于眼科检查, 改善全国偏远地区眼科医疗器械缺少的情况。

为了使投影设备具有超短投影距离, 实现大尺寸高清显示画面, 设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片, 在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面, 采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律, 建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标, 运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面, 对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数; 各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上, 水平、垂直TV畸变小于0.5%, 投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求, 结构简单, 易于加工和生产。

为了实现光束沿多向准直出射的要求, 提出了基于自由曲面的光学器件设计方法。该光学器件是四个侧面为自由曲面、上表面为准直透镜的空心梯形台。基于微分几何理论和折射定律, 建立梯形台侧面轮廓曲线上的点所满足的方程, 结合Matlab软件数值计算出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入Solidworks中进行曲线拟合并建模,进而得到梯形台侧面的实体模型; 运用Code Ⅴ软件设计出上表面准直透镜。将自由曲面面型数据和准直透镜数据导入到Lighttools软件中进行了仿真模拟,结果表明, 该光学器件可实现光线五向准直出射。