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
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
为了消除Michelon测量光路中PBS胶合层所引入的寄生条纹误差, 提出了一种以TP(Twin-PBS)结构为分光核心的动态干涉光路。结构以Mach-Zehnder光路为起点, 融合同步移相的偏振光学需求、开放的外部测量臂需求、紧凑化与调校便利性需求以及测试光束和参考光束只在PBS内的镀膜面进行分光的需求。采用琼斯矩阵构建了偏振光传输模型, 通过Zemax等软件的仿真模拟, 对新式光路进行了紧凑化设计和调校工艺流程设计, 压缩了调校步骤。最后利用配置光源组件、成像组件、模块化光路与偏振CCD构成的TP型动态干涉仪对三反系统进行了镀膜前预测量, 实现了(4%)3极弱反射光下的精密测量。
同步移相 偏振干涉 动态干涉仪 三反系统 twin PBS Twin-PBS synchronous phase shift polarization interference dynamic interferometer three mirror system
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 陕西 西安 710021
单一红外波段的光学系统在无人机对地侦察时接收到目标信息量较少, 也易受环境的影响甚至无法探测到目标, 严重影响了侦察的效率。分析了多波段红外光学系统成像原理及设计方法, 最终选取反射式结构形式设计了一款焦距为50 mm、全视场为12°×10°的离轴三反红外光学系统, 该系统可用于短波红外成像、中波红外成像, 以及长波红外成像。各个波段各个视场下, 该系统的MTF值在奈奎斯特频率30 lp/mm处均接近或达到衍射极限, 其弥散斑RMS值小于探测器的像元尺寸, 各项指标均满足成像质量要求, 扩大了无人机载系统的探测波段范围, 提高了系统的侦察能力。
光学设计 红外光学系统 离轴三反系统 多波段 像质 optical design infrared optical system off axial three mirror optical system multi-spectral image quality
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
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528200
在同轴三反光学系统成像理论的基础上，通过孔径光阑离轴及平面反射镜折叠光路，设计一个折叠式离轴三反光学系统。全视场范围内，光学系统在奈奎斯特特征频率为62.5 lp/mm处，调制传递函数的设计值优于0.58，成像质量接近衍射极限。基于光学干涉检测技术和计算机辅助装调理论，建立初级像差与光学元件失调量的灵敏度矩阵并分析失调光学系统的像差特性，在此基础上提出具体有效的光学精密装调方案。整机装调后光学系统全视场波像差的均方根值优于1/14λ（λ为波长）。使用相机对准模拟无穷远处的目标，在探测器极限分辨率为62.5 lp/mm处可以成像清晰，性能优异。
光学设计 三反系统 计算机辅助装调 灵敏度矩阵 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1722001
红外与激光工程
2021, 50(5): 20200336
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
