为了解决传统立体显示器成像不满足人眼正常成像规律的问题,同时考虑到穿戴设备兼具质量小、体积小的特点,在计算分析光学系统参数的基础上,结合数字微镜元件(DMD)和压电可变形反射镜(PDM),利用Zemax软件设计出了具有多焦平面投影功能的光学系统。该光学系统由7片透镜组成,总长为200 mm,视场角为40°,采用双远心光路结构。对光学系统的整体分析结果表明,改变PDM的曲率半径,可实现多焦平面的成像。人眼根据自身的调节作用,在特定位置处可观察到由各个焦面位置处(屈光度范围为0~3 m ^-1)的二维图像重叠所带来的整体三维效果。最后对系统的成像质量进行分析,结果表明该系统在极限分辨率为37 lp/mm时,各视场处的调制传递函数(MTF)均高于0.4,性能良好,满足设计要求。

为仿真现实场景中目标和干扰的光谱分布差异, 设计了一种基于双数字微镜器件(DMD,Digital Micro-mirror Device)的双通道、共口径、变焦光学引擎, 包括投影光学系统和两套照明光学系统.光学引擎以红外中波和长波柯勒远心光路分别直接照明两DMD靶面, 采用空间立体布局避免不同光路间干扰.设计结果表明: 照明光学系统的照度均匀性优于94%; 中波(3.7~4.8 μm)和长波(8~12 μm)内, 变焦投影光学系统在10 1p/mm处的调制传递函数(MTF, Modulation Transfer Function)值分别优于0.7和0.4; 系统畸变小于0.5%, 满足使用要求.

为了提高驾驶员在车辆行驶过程中的安全性,设计了一种结合图像语义分割的增强现实型平视显示(AR-HUD)系统。首先,提出一种改进的单发多框检测器网络对道路场景图像进行语义分割,网络前端采用VGG-16提取图像特征,网络后端对获取的特征图进行上采样,从而对特征图进行像素分割。通过对网络的训练,得到场景目标的像素级分类结果,即环境的语义内容信息。随后,通过分析真实场景、光学显示系统、驾驶员之间的关系,将计算机产生的虚拟信息叠加到真实场景,并将显示内容注册到驾驶员视野中,从而提高行车安全。实验结果表明,语义分割算法的准确率能达到77.8%,虚实注册算法处理每帧图像的时间平均为45 ms,约22 frame·s ^-1。

为了避免环境温度变化影响红外双波段目标模拟器的投影图像质量,对其变焦投影镜头进行了光机热分析。建立了变焦投影镜头的有限元分析模型,通过对非定常的热应力问题进行准静态处理,完成了有限元模型的热分析和静力学分析,并求解出整机随温度变化的位移云图。通过有限元数据转换算法将离散节点的坐标数据转化为矢高变形数据,利用Householder算法完成了基于Zernike多项式的镜面热变形拟合,并将拟合系数导入光学设计软件,得到了不同温度下变焦投影镜头的热分析结果。结果表明,当温度在10~30 ℃区间时,投影图像质量对整机的热变形不敏感。

传统双级光隔离器45°装配无法达到隔离度最优化问题。从双级光隔离器的光学结构和工作原理入手, 分析了双级光隔离器的插入损耗、反向隔离度, 以及偏振相关损耗, 使用MATLAB定量分析了双级隔离器装配存在偏转角度误差时的插入损耗和反向隔离度, 为双级隔离器装配的最佳化提供了理论上应保证44°装配这一可行的保障方法。

光学透镜的中心厚度是光学系统中的一个重要参数, 其加工质量的好坏对光学系统的成像质量具有很大的影响。提出了一种基于共焦原理的非接触在线检测技术。系统的测量范围可达到9.8mm, 测量精度可达到14.7μm。