1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 惠州市华阳多媒体电子有限公司，广东 惠州 516006
设计了一种基于离轴反射式光学结构、投影距离可以改变的增强现实型平视显示（AR-HUD）系统，以降低驾驶员的视觉疲劳。其中，眼盒的大小为130 mm×50 mm，虚像投影距离为3~10 m，可以通过改变图像生成单元（PGU）到一级镜的距离和像源尺寸的方式实现投影距离连续可调。通过随机取样的方式，在投影距离变化范围内随机选取一个投影距离对系统进行像质分析，证明投影距离连续可变。视场角（FOV）在投影距离的可调范围内恒为15°×5°，畸变小于5%，动态畸变小于5′，MTF在5 lp/mm处优于0.5。结果表明，当车辆与前方物体距离较近时，AR-HUD系统可以根据需要改变虚像的投影距离，且能保证像质始终符合规格。
光学设计 平视显示器 光学变倍 投影距离 离轴三反系统
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
3 中国科学院 空间光学系统在轨制造与集成重点实验室，吉林长春100
4 北京胜泰东方科技有限公司，北京10002
为实现真空100 K低温环境中的红外设备测试，设计了一种离轴三反式的准直系统。该系统采用无热化设计，整机结构选用SiC材料，在镜体与支撑结构连接处采用C形开口胀销作为柔性结构，补偿连接结构的低温变形。系统整体除反射镜外，其余部分全部包裹在低温辐射冷板内。低热导绝热支撑结构在热传导链中起热屏蔽作用，实现系统的绝热支撑和快速制冷。在100 K低温环境下对单镜进行仿真分析，主、次、三镜的面形误差均小于λ/50；整机分析得到主、次、三镜的面形误差均不大于λ/30。常温下系统各个视场波前差在λ/14~λ/8内，低温下系统视场波前差在λ/8~λ/7内，根据瑞利判据可认为波面无缺陷。当λ=632.8 nm时，常温下系统在50 lp/mm频率的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）大于0.7；低温下的MTF大于0.6，满足系统在50 lp/mm MTF大于0.6的使用要求。仿真结果表明，准直系统可以在100 K真空环境中稳定输出平行光，满足低温红外设备的测试需求。在快速辐射制冷材料级实验中，历经18 h，温度稳定在130 K；历经30 h，SiC镜坯温度稳定在110 K。该实验验证了SiC反射镜快速辐射制冷的可行性。
光学系统设计 准直系统 离轴三反系统 红外 光机热分析 低温 optical system design collimation system off-axis three-mirror system infrared optical mechanical thermal analysis low temperature
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
将自由曲面离轴反射系统的曲面加工在同一个基底上实现了多面共体制造，可以有效降低装调难度，进而提升系统的稳定性。提出了一种有柱形轮廓的多面共体自由曲面离轴三反成像系统的设计方法，基于共焦离轴二次曲面实时生成满足离轴共体系统结构和初阶参数要求的初始结构。提出了一种基于曲面采样点位置约束的自由曲面优化方法来控制系统整体外轮廓的形状与大小，使系统的曲面易于实现共体加工。基于光线追迹信息控制系统的焦距，并抑制光线遮拦和光瞳像差。采用Q2D多项式自由曲面进行系统优化，降低曲面检测难度。最终设计了一款高像质、低畸变、易于共体加工的自由曲面离轴三反热成像系统，并根据自由曲面面形特点对该系统进行了公差分析。
光学设计 应用光学 自由曲面 多面共体 离轴三反系统 初始结构
1 中国人民解放军91977部队， 北京 100036
2 华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430223
自由曲面是一种非旋转对称的面型，具有很强的非对称像差校正能力，为了满足空间遥感光学系统大范围高分辨率成像的使用需求，应用自由曲面设计了一款大视场长焦距离轴三反系统。首先基于矢量像差理论直接获得了无遮拦的二次曲面初始结构，二次曲面初始结构通过反射镜的倾斜和偏心避免光线发生遮拦，再利用自由曲面对初始结构的像差进行校正，通过光学设计软件对二次曲面初始结构进行优化设计获得了最终的自由曲面离轴三反光学系统。自由曲面离轴三反系统的视场角为16°×1°，焦距为2 000 mm，入瞳直径为235 mm，调制传递函数曲线接近衍射极限，最大相对畸变为0.37%，光学系统在公差范围内具有良好的成像质量。
光学设计 大视场 长焦距 自由曲面 离轴三反系统 optical design large field of view long focal length freeform surfaces off-axis three-mirror system
基于矢量波像差理论,分析了离轴三反光学系统装调过程中在小量失调状态下的场曲特性,提出了通过倾斜焦面补偿系统失调产生场曲的方法。在此基础上,结合某遥感相机进行了仿真模拟,具体分析了焦面分视场数目与三反射镜安装精度要求的关系,提出了系统装调流程和方法。利用测试相机调制传递函数的方法,对相机的场曲特性进行了测试,并通过修正焦面倾角实现场曲像差补偿。修正后的相机边缘视场调制传递函数得到明显提升,相机各视场调制传递函数均优于0.21。
光学设计 离轴三反系统 矢量波像差理论 失调 场曲 光学系统 大视场
1 合肥工业大学光电技术研究院, 安徽 合肥 230009
2 特种显示与成像技术安徽省技术创新中心, 安徽 合肥 230009
为了实现非完善成像离轴三反系统的高质量装调,提出了一种置于三反系统焦点前的像差补偿系统的设计方法。基于高斯光学,推导了补偿系统参数与像点空间位置的关系,并根据三级像差理论,设计出补偿系统的初始结构。利用有效口径为400 mm、F数为3.9的离轴三反系统,对所提方法进行了分析,验证了方法的可行性。所提方法有效提高了优化效率,适用于多种类型的反射系统。最终设计结果以相对较小的口径实现了非完善成像离轴三反系统的高质量装调,有效降低了装调成本,提高了装调效率。
光学设计 三级像差理论 高斯光学 离轴三反系统 像差补偿系统
由于微光遥感可在夜间和晨昏时段等低照度条件下对地物进行探测, 该遥感相机利用微光遥感与传统可见光遥感进行互补, 实现可见光波段全天时对地观测。考虑系统长焦距(500 mm)、大视场(5°×2°)、大相对孔径(F数为3.8)、小型化、高光学效率等各方面因素, 该遥感相机最终采用离轴三反结构形式, 采用双探测器共光路、分视场形式实现微光、可见光探测器同时成像。对光学系统设计和成像质量进行了详细分析, 传统可见光波段各视场MTF优于0.4@200 lp/mm, 微光可见光波段各视场, MTF优于0.75@77 lp/mm, MTF接近衍射极限, 结果表明: 根据光学载荷研制发射流程, 从加工、装调、一次调焦和不调焦四个过程详细分析了系统公差, 给出了公差分配结果。此外, 对该光学系统的可扩展性进行了分析说明。
离轴三反系统 光学设计 公差分析 微光遥感 off-axis three-mirror system optical design tolerance analysis micro-light remote sensing 红外与激光工程
2020, 49(1): 0114003
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
随着空间技术的不断发展, 高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点, 能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求, 具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础, 设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统, 焦距1 550 mm, 视场3.6°×0.45°, 相对孔径1: 6.2, 自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明, 在有效视场内系统成像质量良好, fMTF优于0.43@111 lp/mm, 系统最大波像差为0.049 λ(λ=632.8 nm), 平均波像差RMS值为0.034 λ, 最大网格畸变0.9%, 成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f′/3.1, 高度小于f′/4.1, 且系统的加工和装配公差较为宽松, 易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。
光学设计 离轴三反系统 自由曲面 公差分析 optical design off-axis three-mirror system freeform surface tolerance analysis 红外与激光工程
2018, 47(12): 1218001
1 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 北京空间飞行器总体设计部, 北京 100086
考虑到离轴三反系统内部结构和光路的复杂性, 直接分析离轴三反系统内部各反射镜的偏转误差对视轴的影响难度较大。因此, 提出一种将离轴三反系统模型简化为单反射系统模型来进行分析的方法, 并在该模型的基础上建立离轴三反系统视轴偏转误差的计算公式。最后, 利用Zemax软件创建离轴三反系统模型, 通过变动反射镜位置来模拟系统视轴的变化, 并得到成像点的坐标, 再将得到的像点坐标代入计算公式求解出系统视轴的转动量。通过结果对比, 求解出视轴的转动量相对于仿真的最大误差不超过4%, 验证了基于单反射模型建立的理论分析方法的正确性。
离轴三反系统 视轴 误差 偏转 off-axis three-mirror system line-of-sight error deflection 红外与激光工程
2018, 47(9): 0918005
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津微纳制造工程技术中心, 天津 300072
超精密加工过程存在的加工误差影响着器件的面形误差,进而影响光学性能。制造者往往从面形精度方面来评价加工精度,但是光学性能才是光学系统的最终评价指标,仅仅关注加工过程中加工误差对单个面的面形误差影响是不够的,加工误差对系统光学性能的影响需要进一步研究。基于多体系统理论和光线追迹理论建立了加工误差影响分析模型,探索了加工误差对面形误差和光学性能的影响,得出了系统主要的面形误差形式及其对系统调制传递函数(MTF)的影响关系,并根据系统对光学性能的要求得出了加工误差、面形误差和角度公差,从而找到了影响三反系统光学性能的重点加工误差,研究结果可为离轴三反系统加工误差的控制及光学质量可控制造的实现提供理论指导。
测量 制造公差 加工误差 光学性能 面形误差 离轴三反系统 调制传递函数
