为了实现大像面、小投射比、高清画面要求,设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统,采用缩放法获得初始结构,由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系,计算获得了反射镜坐标数据,拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(ModulationTransferFunction,MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为 5.45mm,投射比为 0.4的物方远心系统,在投影距离 720mm时可投射 80inch画面,清晰度为 1080p,视场角为 136°,放大倍率约为 125倍,系统点列图均方根(RootMean Square,RMS)半径小于 750μm,畸变小于 0.2%,相对照度在 96%以上,其 MTF曲线幅值在 0.54lp/mm时均大于 0.3。公差分析表明,系统设计合理,成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头,该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面,有效降低了加工和装配难度。
超短焦投影 光学设计 折反式成像 非球面反射镜 公差分析 ultrashort focal projection optical design catadioptric imaging aspheric mirror tolerance analysis
红外与激光工程
2023, 52(10): 20230266
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230470
1 长春长光智欧科技有限公司,吉林 长春 130102
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
针对基因测序、半导体检测、工业显微镜及生命医疗等领域对显微物镜日益增长的技术需求,成像谱段向着宽谱段深紫外(DUV)方向发展,目前非浸液式显微物镜存在数值孔径(NA)低、视场小、宽谱段内色差严重等问题。基于此,提出一款折反射式物镜。所提折反射式物镜具有宽谱段、高数值孔径、消色差等优点,根据折反射式结构的消色差光学特性,镜片只采用一种材料就可以校正色差。系统由12片镜片组成,数值孔径为0.91,成像谱段为深紫外到可见光(275~600 nm),最大视场为0.3 mm,系统全视场全谱段波像差小于0.033λ,消除了二级光谱,成像质量满足使用要求。
高数值孔径 深紫外 折反射物镜 消色差 光学学报
2023, 43(19): 1922002
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
超短焦偏振折反射虚拟现实(VR)镜头是新兴的近眼显示光学解决方案,能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理,说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势,并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度,提出将非球面转化为环形拼接非球面,并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题,引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头,在像质平衡优化后,全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势,并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程,原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。
光学设计 虚拟现实 近眼显示 拼接非球面 超短焦偏振折反射镜头 光学学报
2023, 43(15): 1522001
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 上海航天控制技术研究所先进光电中心,上海 201100
为提高导引结构的特征分辨能力和全天候工作能力,提出一种长波红外与激光共孔径的双模导引光学系统设计方案,利用被动红外模块搜索目标,通过主动激光雷达模块锁定目标并精确制导。为解决导引头内光学系统尺寸受限的问题,以Ritchey-Chretien结构为共用部分,通过次镜镀分光膜实现长波红外(8~12 μm)反射光路与激光(1.064 μm)透射光路的组合,并分析了不同光学遮拦情况对非相干成像系统调制传递函数衍射极限的影响。展示了F数为0.98、光学遮拦比为1/3的共孔径双模导引系统的实例,使用多片折射镜片实现对主、次镜残余像差的补偿,利用光学被动式消热差方法完成-40~60 ℃范围的长波红外无热化,具有良好的热稳定性和可加工性,可为双模导引光学系统的分析与设计提供参考。
光学设计 双模导引 长波红外光学系统 激光 共孔径结构 折反式系统 光学学报
2023, 43(12): 1222001
长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130022
针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求,该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构,利用物、像关系原理,结合物方视场计算反射镜面型参数,得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲,整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜,系统总长286 mm,投影距离500 mm,投射画面尺寸254 cm(100 英寸),系统投射比0.22,相对照度大于85%,MTF(modulation transfer function)在0.4 lp/mm时大于0.5,水平TV畸变小于0.55%,垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标,采用同轴球面设计易于加工、装调,可有效降低生产成本。
光学设计 投影系统 折反射系统 超短焦距 optical design projection system catadioptric system ultra-short focal length