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
1 深圳大学智能光测研究院，广东 深圳 518000
2 深圳大学物理与光电工程学院，广东 深圳 518000
由于缺少可参考的散斑图案，单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器，提前拍摄不同标准距离处的散斑图像，测量效率较低，且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题，提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿，计算同名散斑点的空间三维坐标，解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系，并对其进行迭代优化，生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明，所提方法的位移测量误差低于0.16 mm，标准球的半径测量误差低于0.13 mm，且在一定的深度范围内，深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。
机器视觉 单目激光散斑投影系统 外参数标定 迭代优化
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130012
2 天津市生态环境监测中心，天津 300110
为了解决投影系统的畸变大、尺寸大和能量利用率低等问题，基于双高斯结构与自由曲面照明系统设计一个新型小畸变投影系统，主要针对自由曲面的建模方法与光路结构开展光学系统的设计。根据边缘光线理论与斯涅耳定律，采用数值迭代法来设计自由曲面照明系统。仿真结果表明，照明系统的照度均匀度可达87.86%，能量利用率可达94.38%。成像系统采用双高斯结构作为初始结构进行设计，投影系统经过非球面优化后的畸变为0.26%，光学传递函数在93 pl/mm的频率处大于0.8，35°边缘视场处大于0.6，而且该投影系统的成像质量高并且结构紧凑，镜片数量少。通过公差分析可知，Q5公差等级满足系统的性能要求，公差要求较低。
光学设计 投影系统 照明系统 双高斯结构 自由曲面 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2322001
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
3 航天系统仿真重点实验室北京仿真中心, 北京 100854
空间红外探测设备的地面实验中,需要利用红外场景模拟器在实验室条件下生成模拟空间目标红外特征的红外图像,并通过投影光学系统将红外图像投影到待测设备上。因此,设计了一种可在100~300 K温度范围内工作的投影光学系统。该系统采用同轴卡塞格林结构,工作波段为3.7~5.5 μm,焦距为638 mm,视场为3.4°×3.4°,出瞳直径为102 mm,出瞳距离为660 mm。利用Zenike多项式对镜面的热致形变数据进行了拟合,利用ZEMAX软件对系统的成像质量进行了评价。仿真结果表明,该投影系统在不同温度下的调制传递函数均达到了设计要求,且该投影系统已成功应用于某空间红外探测设备的地面低温实验中。
光学设计 红外探测 投影系统 低冷环境 热应力 光学学报
2021, 41(14): 1422003
南京大学立体影像技术实验室，江苏 南京 210046
本文提出一个基于互补式多波段带通滤光片的 3D投影显示系统，该系统可以使观看者通过特制眼镜获得 3D视觉体验。不同于时分复用和空分复用的 3D显示系统，该系统借助成对的互补式滤光片实现谱分复用。通过设计可以实现两块滤光片的三对互补通带恰好分别覆盖 RGB三色光谱范围，且每对互补通带相互交错几乎不重叠。在本文中，将两台普通的 2D投影仪改造成 3D投影系统，并测量了该系统的光谱、亮度、串扰等参数，其平均串扰 3%，满足 3D显示串扰小于 10%的基本要求。
3D显示 互补式多波段带通滤光片 投影系统 串扰 3D display complementary multiband bandpass filter projection system crosstalk
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 长春国科精密光学技术有限公司，吉林 长春 130033
为了设计低投射比的超短焦投影物镜，本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后，分析了系统的性能。仿真结果表明：超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3 048 mm尺寸的大屏幕投影，系统的投射比低至0.19，系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点，可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。
光学系统设计 超短焦投影系统 自由曲面 optical system design ultra-short-focus projection system freeform surfaces
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面, 降低超短焦投影的加工成本和装调难度, 设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片, 16片球面折射透镜和一片非球面反射镜, 非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm, 投影距离是424~509mm, 投射画面尺寸是2.286~2.794m(90~110in), 视场角150°, 投射比为0.21, 水平、垂直TV畸变小于0.25%, 相对照度大于90%, MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求, 全玻璃透镜的设计易于加工和生产, 有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。
光学设计 投影系统 折反式系统 超短焦距投影物镜 optical design projection system catadioptric system ultra-short focal projection lens
