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 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 西安工业大学兵器科学与技术学院，陕西 西安 710021
基于非近轴光线追迹算法对光楔扫描系统的正向问题进行求解，得到不同速度比下的花瓣形扫描轨迹。根据光楔转速和取样间隔计算轨迹点数，根据轨迹点与坐标原点的距离曲线的极小值点个数计算花瓣数，进而建立由速度比计算花瓣数的关系式。通过轨迹点数和花瓣数评估不同速度比对应的扫描轨迹的扫描时间和覆盖率，总结扫描轨迹与速度比之间的规律，提出三光楔扫描系统获取规则、对称且不存在大片扫描盲区的扫描轨迹时速度比需要满足的条件。所得规律和结论可在光楔扫描系统的应用中合理确定速度比，从而选取满足扫描效率要求的扫描轨迹。
光学设计 光楔 非近轴光线追迹 花瓣形扫描轨迹 速度比
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室, 四川 成都 610209
针对现有多波段成像系统体积大、功耗高和集成化设计困难的问题，本文提出了一种基于单传感器的三波段共口径成像光学系统的设计方法。首先，在光学系统的光阑处设计1×2多波段透镜阵列，把可见光波段和短波红外波段同时成像在一个像平面上，并把两个波段中心波长的成像位置偏差控制在一个像元内以实现双波段融合成像。然后，针对双波段成像衍射极限不同的问题，提出分通道透镜阵列的离轴偏移量和通光口径大小联合优化方法，并采用双电动光阑高速控制三个成像通道的切换速度。最后，设计了一个基于单传感器的焦距为30 mm，工作波段分别为480~900 nm、900~1700 nm和480~1700 nm的三波段共口径光学系统。设计及分析结果表明该系统具有成像质量好、结构紧凑、无运动光学元件、成像波段切换速度快等优点。
单传感器 透镜阵列 多波段成像系统 光学设计 single sensor lens array multi-band imaging system optical design
1 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西 西安 710072
2 宁波永新光学股份有限公司，浙江 宁波 315048
3 西北工业大学宁波研究院，浙江 宁波 315103
为满足车载激光雷达接收光学系统在复杂环境实际应用中的温度适应性要求，本文基于一种将长焦镜头与线阵探测器相结合，通过局部图像级成像显著提高激光雷达系统探测分辨率的方案，设计了一款轻小型无热化的四片式全玻璃长焦镜头，研究了其在不同温度下的像面漂移。分析结果表明，所设计的长焦镜头在整个-40~100 ℃的温度范围内焦移量为0.021 mm，小于焦深0.074 mm，在30 lp/mm处各视场调制传递函数（MTF）均大于0.5，全视场内光斑半径在7 μm以下，水平及垂直角分辨率为0.045°（H）×0.045°（V）。此长焦接收光学系统结构简单、成像质量高、环境适应性强，在车载激光雷达领域具有良好的应用前景。
车载激光雷达 长焦光学系统 光学设计 无热化
1 上海理工大学健康科学与工程学院医学光学与视光学研究所，上海 200093
2 上海理工大学机械工程学院，上海 200093
3 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
4 上海理工大学上海介入医疗器械工程技术研究中心，上海 200093
渐进多焦点镜片子午线光焦度分布设计直接影响镜片像散分布，是优化设计的核心之一。提出了一种基于累积分布函数的子午线光焦度分布方法；针对渐进通道宽度过窄的问题，对子午线光焦度分布下的不同轮廓线求解对应的矢高进行加权叠加，同时推导新的子午线光焦度分布函数以降低子午线光焦度变化率；仿真及加工了3片镜片。研究结果表明：采用累积分布函数能够设计出满足光学性能要求的渐进镜片；使用矢高叠加扩展了渐进通道的宽度，保持了像散梯度的平滑过渡，且将最大像散分布在镜片鼻翼两侧；新的子午线光焦度分布函数在拓宽渐进通道宽度下会存在像散梯度变化堆积问题，所以需要将光焦度分布和面型等因素结合考虑，并进行优化。本研究方法为渐进多焦点镜片的子午线光焦度优化设计提供了新的理论。
光学设计 子午线光焦度 加宽渐进通道 渐进多焦点镜片
西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室陕西省光信息技术重点实验室， 陕西 西安 710129
为了满足长波红外（LWIR）热像仪在宽温度范围下连续变焦的需求，基于LWIR 320 pixel×320 pixel型红外探测器，设计了一款非制冷长波红外连续变焦光学系统。该系统可在宽温度范围下实现无热化，采用常见的硫系玻璃，工作波段为8~12 μm，总长为200 mm，仅由7片透镜组成。通过引入偶次非球面，可以使系统色差和轴外像差得到良好的校正，同时选用后固定组的最后一片透镜充当温度补偿组来调节焦距实现无热化。分析结果表明，该系统结构紧凑，可以在40~60 ℃温度范围内和60~180 mm焦距范围内连续平滑变焦，并且全程成像质量良好（调制传递函数在20 lp/mm处均大于0.3），变焦和公差也具有良好的可实现性。
光学设计 红外变焦系统 长波红外 像质评价
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程中心，吉林 长春 130022
3 季华实验室，广东 佛山 528200
提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法，用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先，采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式，实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次，通过对光学元件进行热力耦合分析，验证了光机系统的合理性。然后，在光机热集成分析条件下，分析了单个光学元件的灵敏度，以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ（F为焦距，θ为物方视场角）畸变的影响。最后，通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化，并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2.5 ℃、重力）下，光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm，能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2 ℃、重力），优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm，校准F-tan θ畸变小于6.00 nm，相较于优化前，波像差RMS提升了46.98%，校准F-tan θ畸变提升了77.69%，达到了设计要求。
光学设计 结构设计 光机热集成分析 Zernike多项式 有限元分析
中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
杂散光抑制是保证红外遥感数据定量化反演精度和图像质量的前提。为了抑制系统杂散光，利用点源透过率（PST）与杂散光系数（VGI）的函数关系计算了VGI，并分别用VGI和杂散比（NSR）作为指标对系统外部杂散光和系统背景辐射的抑制方法进行了研究。结果表明：采用冷光学设计能有效抑制系统背景辐射，此时系统工作的三个波段NSR从4.5以上降低至0.35以下。制冷机制冷是冷光学设计和探测器工作的基础，研究了杜瓦窗口和冷屏设计对VGI、NSR和制冷机功耗的影响，进而优化了窗口和冷屏的设计参数。拟合实验数据明确了杜瓦漏热与制冷机功耗的函数关系，提出了一种低制冷功耗和高杂散光抑制的冷屏设计，此时杜瓦漏热为1.7 W，制冷机功耗为103.72 W，系统的VGI从1.95%降低至1.92%，窗口的NSR下降了60%，满足项目要求。研究结果解决了低温光学设计、制冷机功耗和杂散光抑制等一系列问题，组件通过力学试验，已成功运用于某项目用光谱成像仪中。
光学设计 杂散光 杜瓦窗口 冷光学设计 杂散光系数 制冷功耗
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所， 陕西西安709
2 中国空气动力研究与发展中心超高速所， 四川绵阳61000
为满足在瞬态条件、不同物距下获得稳定高质量序列图像的成像需求，设计了四通道序列前光高速成像系统。系统采用像空间平行分光，以成像原理为出发点，对系统的设计关键进行分析。以理论计算参数为设计依据进行分镜组（物镜组、场镜及准直镜租、汇聚镜组）设计并分别进行像差独立校正，加入场镜减小系统体积和重量，提升光能利用率，通过视场和光瞳的准确衔接提高光束的传输效果，在此基础上对分镜组进行整合优化，加入分光器件形成最终的四通道序列前光成像系统。设计物距可调光路，使用中通过调节物镜组手轮保证系统在0.5 m~∞物距下的成像质量，同时保持一次像面位置不变，增强系统性能稳定性的同时降低了装调难度。系统可根据实际需要对接收端进行更换，且在分光区域加入分光器件后可拓展至八通道系统。利用装调后的序列前光成像系统进行实验室检测和现场试验，其主要光学性能良好，各通道实测分辨率可达到72 lp/mm，成像一致性大于98%。现场试验结果表明，该光学系统可满足瞬态条件下序列图像的拍摄要求。
序列前光成像 多通道 光学设计 镜组衔接 一致性 sequential front light imaging multi-channel optical design lens group connection consistency
