光学瞄具出瞳直径、出瞳距离与放大率现代测试技术研究

针对光学瞄具出瞳直径、出瞳距离与放大率的现代测试要求,在分析原有传统的各种检测原理与方法的基础上,本系统采用了一种基于CCD摄像技术、精密机械技术、光学技术和计算机控制与图像处理技术的现代光学测试原理与方法。测试过程中采用CCD细分技术,提高了图像的分辨率和目标图像的定位精度。出瞳直径与出瞳距离测试精度达到0.01 mm,测试范围为1-100mm,放大率测试精度小于1%,而且大大减轻了疲劳强度。

红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算

红外光学系统在用于制冷型的探测器时必须考虑出瞳与冷屏的匹配问题,采用二次成像方式进行光瞳匹配导致光学系统结构复杂化使系统透过率降低,采用光学结构简单的不完全匹配方式会存在轴外视场渐晕,但能有效地提高视场中心的透过率,而红外光学系统在用于点目标的跟踪测量时往往用到的是一定范围的中心视场。在本文中,我们分析了几种不同的匹配方式并给出了用冷屏参数表示的估算轴外渐晕的计算公式以便在像差校正之前判断渐晕的大小及采用何种匹配方式以提高光学系统性价比。

长出瞳距军用瞄准镜目镜设计

为了满足军用瞄准镜使用中需要配备护眼罩和防毒面具等的要求,需要目镜光学系统的出瞳距离较长。分析了长出瞳距目镜的光学特性与像差特点,提出了正、正、负三镜组的结构型式。根据像差理论,采用解析法推导了光焦度分配公式。利用光学设计软件ZEMAX设计了长出瞳距目镜,系统焦距为20 mm,出瞳直径为5 mm,视场角为40°,出瞳距离为40 mm,相对镜目距为2。设计结果表明,采用该方法设计的目镜在40 lp/mm处各个视场的传递函数均在0.2以上,满足目视光学仪器的使用要求。

基于二维微透镜阵列增大手术显微镜出瞳直径方法研究

医生使用传统含目镜系统的手术显微镜进行手术,当其头部移动时,该系统仅存在很小的出瞳直径,因而这就迫使医生在手术过程中长时间保持头部在特定位置。可见,传统手术显微镜存在显著弊端:长时间持续观察会增加医生的疲劳度。对使用二维微透镜阵列(microlens array,MLA)增大目视光学系统出瞳直径进行了理论探讨,并用傅里叶光学原理进行了理论分析。并且在此基础上,设计了增大手术显微镜光学系统出瞳直径的二维微透镜阵列器件,该二维微透镜阵列器件中两个折射面相对放置,且两者相距一个微透镜单元焦距的长度。经计算机模拟计算证明,使用该二维微透镜阵列器件可以有效增大目视光学系统出瞳直径,并可获得更加均匀的出射光束。

轻小型长出瞳距目镜的设计

为了满足目镜轻小的功能需求,优化设计了三种不同结构的长出瞳距目镜。三种目镜的系统参数相同,在出瞳直径为7 mm的前提下实现了40 mm的出瞳距,焦距为26 mm,视场为32°。首先,设计了由折射球面构成的纯折射式目镜,由五片透镜组成。其次,添加一个非球面优化设计得到了含有非球面的折射式目镜,由四片透镜组成。最后,添加一个衍射元件优化设计得到了折衍射目镜,由三片透镜组成。结果表明:在40 lp/mm频率处,含有非球面的折射式目镜的所有视场MTF都超过0.35,其中,0°的中心视场MTF达到0.67;对比第一种纯折射式结构目镜,其长度减小了16.66%,重量减轻了35.88%,成像质量更好。折衍射目镜所有视场的MTF都高于0.40;对比第二种目镜,第三种目镜的长度减小了15.43%,重量减轻了37.40%,像质也得到改善。

CCD细分技术在望远系统出瞳直径与出瞳距离测量中的应用

为解决某种望远系统的出瞳直径与出瞳距离的测量而专门设计并研制了一个测试系统。该系统采用了一种将CCD成像技术及计算机图像处理技术等技术相结合对望远系统的出瞳直径和距离进行测试的新方法。详细介绍了测试系统中图像预处理所采用的CCD像元细分技术,根据CCD的工作原理分析了CCD的像元细分技术,提出了一种基于相关双采样和D/A转换的变阈值二值化方法,叙述了变阈值二值化的细分原理的实现方法。实验证明:该系统的测量误差小于0.02mm,重复性精度为±0.02mm,出瞳直径及出瞳距离的测量范围为0～100mm。该方法可实现数字化测量,从而可消除传统测试方法的易疲劳、人为影响等诸多缺陷,提高了检测的准确度,使检测更为直观、明确。

长出瞳距折衍混合目镜系统的设计

针对工作在一定入射角度范围内的衍射光学元件,提出了复合带宽积分平均衍射效率的计算公式。为了满足军用仪器上瞄准镜的光学性能需求,设计了两个结构参数相同的50mm长出瞳距的目镜。目镜系统的焦距为25mm,视场角为30°,出瞳直径为8mm。基于Erfle目镜结构形式,首先设计了一个传统折射式长出瞳距目镜。在此基础上,引入单层衍射光学元件,设计了一个折衍射混合式长出瞳距目镜。该混合目镜的畸变小于7.77%,在40lp/mm处,中心视场的MTF(调制传递函数)高于0.85,最大视场的MTF高于0.2。系统中采用的单层衍射光学元件衍射面上的入射角度为0°~30°,对应的复合带宽积分平均衍射效率为95.23%。对比折射式目镜,折衍射混合目镜不仅成像质量得到改善,而且总长减小了22.87%,重量减轻了38.79%,具有结构紧凑、重量轻等特点。

长出瞳距静态星模拟器准直光学系统设计

为提高静态星模拟器对无穷远处星空的模拟精度以满足星敏感器地面标定需要,提出一种长出瞳距静态星模拟器准直光学系统的设计方案。首先结合星敏感器地面测试要求得到星模拟器技术指标,进而计算得到准直光学系统的设计参数,其次选取埃尔弗目镜作为初始结构,通过Zemax软件进行设计优化,主要针对系统的畸变进行约束,最终设计结果为:视场6°,焦距343.77 mm,出瞳距1000 mm,全视场范围内畸变小于0.0276%,MTF接近衍射极限,结合公差分析结果,表明系统成像质量较高且具备良好的稳定性。最后通过对静态星模拟器星点位置误差的计算分析,得到系统的星光出射精度优于6.16″,能够实现在长出瞳距下对无穷远处星空的高精度模拟。

长出瞳距的广角显微目镜设计

为了方便使用显微镜需要佩戴眼镜、护目镜人员的观察,并满足系统的大视场要求,则需设计出瞳距离较长的广角目镜以满足市场需求。本文从主面偏移和偏角分配两方面分析了系统的结构型式,通过Zemax软件对五片三组元结构进行设计,实现12.5x的放大倍率,视场角为51°,出瞳距离为21mm。设计结果显示,系统的场曲和像散都比较小,畸变控制在-5%范围内,40lp/mm处的MTF值均在0.3以上,成像质量较好。文章最后还对系统进行公差分析,结果表明系统具有较高的光学性能。

点扩散函数是出瞳函数功率谱的证明

成像系统的点扩散函数就是光源通过光学系统在像面上产生的光强分布,对于无像差的系统,它是出射光瞳函数的功率谱。对此,有关文献的证明比较复杂,本文给出一简明的证明。首先讨论光阑在透镜后面的情况。

长出瞳距离轴四反光学天线的设计研究

传统离轴反射光学天线的出瞳距较短,需要中继光学系统将出瞳成像于快反镜附近,这会增加后续光路和结构的复杂度,且中继光学系统的后向散射光会对激光通信终端产生严重的影响。针对上述缺陷,设计了长出瞳距离轴四反光学天线,该光学天线的出瞳被直接设计在快反镜上,省去了中继光学系统。首先,从同轴三反像差理论出发,推导了像差表达式和初始结构方程。然后,基于像差理论和出瞳位置要求,计算了离轴四反光学天线的初始结构参数,并采用Zemax软件对初始结构进行光线追迹和性能优化。最后采用Zemax对离轴四反光学天线进行了公差分析。结果表明:所提系统性能优异,结构紧凑,加工和装调公差合理,满足激光通信终端性能要求。

军用长出瞳距狙击步枪瞄准镜远心光路设计

为了适应单兵平台的作战需求,针对目前透射式狙击步枪瞄准镜存在成像质量较差和出瞳距离过短等问题,设计一款高精度成像的狙击步枪瞄准镜。根据系统的设计指标对物镜组和目镜组进行指标分解以及光焦度计算,使用ZEMAX软件设计具有高精度成像质量和长出瞳距离的瞄准镜光路。瞄准镜的物镜组和目镜组均采用远心光路,系统的放大倍率为10×,入瞳直径为50 mm,出瞳直径为5 mm,视场角为2.2°,出瞳距离为87.89 mm,机械筒长为403.76 mm。设计结果表明,物镜组和目镜组的成像质量均达到优良,对接后的整体光路在奈奎斯特频率为16.67 lp/mm处的调制传递函数值大于0.85,满足军用狙击步枪瞄准镜的使用要求。

长出瞳距目镜的等晕代数法及其编程设计

本文提出等晕代数法用于三组元长出瞳距目镜的初始结构求解及其象差设计。分析结构型式,建立等晕代数方程,并阐述了应用微机编程实现象差平衡的基本原则。文中最后给出两个数字例子的结构参数和象差结果。

圆环形出射光瞳的衍射受限系统光学传递函数的推导和分析

根据光学成像理论,详细推导了在理想状态下圆环形出射光瞳的衍射受限(非相干)系统的光学传递函数。

全息波导显示中输出扩展光栅的衍射效率分布分析

对于全息波导显示系统,为获得连续的输出光瞳而引入的半透半反膜,会在波导中形成阶跃形光强分布,与阶跃形强度分布相匹配的输出光栅衍射效率须为阶跃形分布,这样才能获得均匀的衍射输出强度。为保证衍射角带宽内所有光线均有较佳的输出强度均匀性,提出了一种连续递增的衍射效率分布光栅模型。建立了基于对阶跃形衍射效率分布的分段加权平均和二次曲线拟合的优化计算模型,计算得到了衍射效率分布曲线,并由衍射效率分布曲线计算得到衍射角带宽内不同视场光束的输出光强分布。结果表明,输出光强位置均匀性最小为52.4%,出瞳内角度均匀性达到84.9%。随着分束膜层数的增加,波导阶跃形光强差将会减小,可获得更好的输出强度均匀性。

孔径光阑和光瞳

叙述光学系统中的孔径光阑和光瞳的意义及作用，并通过一例说明其确定方法。

液晶偏振体光栅及其在增强现实波导显示中的应用

液晶偏振体光栅是一种基于几何相位的布拉格光栅,具有偏振选择性强、衍射效率高、衍射角大以及制备工艺简单等优点,在增强现实系统中具有潜在的应用前景。本文详细介绍了液晶偏振体光栅的工作原理和光学特性,并对其近年来的研究进展进行了总结。重点讨论了液晶偏振体光栅在解决增强现实波导显示中各种关键性问题的研究,展望了其在增强现实波导显示中的应用前景。最后,总结了目前液晶偏振体光栅应用于波导显示领域存在的问题和发展趋势。

光学成像系统光学波前的高精度测试

基于扩展奈波尔-泽尼克理论,分析了不同出瞳振幅分布情况对光学系统焦面处光强分布的影响。针对光学成像系统出瞳振幅实际分布状态,提出了一种新的测试光学波前的方法,解决了相位恢复算法中出瞳振幅分布不均匀和快速傅里叶变换引入计算误差的问题。通过测评实验,对一光学系统进行了测试,获得的光学系统出瞳波前(PV)值为0.196 5λ,RMS值为0.022 4λ(测试波长λ=632.8nm),此波前中主要含有像散、彗差和高阶像散等像差。该方法亦可用于分析光学系统出瞳振幅分布,数值计算其他焦面处的光强分布。测评实验证明了此方法的有效性。

反射式红外多波段准直投影光学系统设计

针对红外制导半实物仿真领域的红外多波段准直投影系统的应用需求,基于同轴三反射系统的物像关系和初级像差理论,计算出系统的初始结构参数,并综合运用了光阑离轴、视场离轴和ZPL语言辅助优化等方法对同轴反射式系统进行离轴优化设计,设计出一个工作波段为1～12μm、视场为8°、焦距为360 mm、出瞳距为1 300 mm的反射式红外多波段准直投影系统。结果表明,在截止频率为10 lp/mm处,波段1～3μm的MTF>0.81,波段3～5μm的MTF>0.63,波段5～8μm的MTF>0.42,波段8～12μm的MTF>0.20,系统体积为240 mm×460 mm×307 mm,达到设计要求。

干涉仪实时全息补偿的局限性

用波面变形传播观点,讨论了干涉仪实时全息补偿的条件及其局限性。对于平面干涉仪,较易实现全息补偿,准直物镜和参考面可以是低质的。对于球面干涉仪,则较难实现全息补偿,会聚物镜和参考面一般需是优质的。