1 同济大学先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题，提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法，实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段（3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm）红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处，系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数（MTF）分别高于0.79和0.67。经公差分析可知，该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时，完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。
光学设计 自由曲面棱镜 红外双波段 公差分析
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求，提出双自由曲面棱镜结构，利用离轴折/反射的原理，设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数，构建了双棱镜模型，运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论，迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm，出瞳直径为8.5 mm，出瞳距离为21 mm，体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°，全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3，透射通道视场为52°，全视场调制传递函数值在30 cycle/（°）处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析，结果表明，在出瞳直径范围内，人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。
光学设计 头盔显示器 自由曲面棱镜 离轴光学系统 双通道系统 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522006
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
本文根据像差理论，开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式，该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散，并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构，使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果，本文设计了光谱范围为380~780 nm，数值孔径为0.15，光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构，大大简化了后续优化的复杂程度。
自由曲面棱镜 光线追迹 消像散 初始结构 光学设计 freeform curved prism ray tracing anastigmatism initial structure optical design
福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室, 福建 福州 350007
针对头盔显示器质量小、尺寸合适及结构紧凑方面的需求, 利用离轴折/反射式原理设计一款头盔显示器光学系统, 采用单片式自由曲面棱镜解决出瞳直径小的问题。设计的系统参数如下：出瞳直径8 mm, 视场角20°(H)×15°(V),出瞳距离20 mm, 配合0.47 in的OLED-XLTM显示屏, 显示区域9.6 mm×7.2 mm, 像素数640 pixel×480 pixel, 像元尺寸15 μm×15 μm。采用单个元件设计, 体积小于13 mm×25 mm×17 mm, 所用材料为K26R, 在30 lp/mm时全视场调制传递函数大于0.25。该系统采用单个元件设计, 兼顾成像质量的同时, 使光学系统的体积和质量更小。
光学设计 头盔显示器 自由曲面棱镜 折/反射式系统 离轴光学系统 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 122201
北京理工大学,信息科学技术学院,光电工程系,北京,100081
轻型大视场头盔显示器(HMD)在虚拟现实、增强现实、**和反恐等领域具有广阔的应用前景.传统的目镜结构形式难以满足头盔显示器对系统视场、体积和重量的苛刻要求.通过采用自由曲面(FFS)棱镜实现了大视场轻型头盔显示器目视光学系统,讨论了FFS头盔显示系统的设计方法并给出了设计结果.
头盔显示器 光学设计 自由曲面棱镜 复曲面
