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
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 超精密光学工程研究中心, 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, 长春 130033
为解决超短焦投影系统中自由曲面反射镜的设计难题, 提出一种适用于大视场成像光学系统的自由曲面设计方法, 即多视场优化迭代法.该方法以一个反射平面作为设计起始面, 基于多视场下物像的对应关系, 并根据反射面的法线方向, 通过加权优化迭代计算得到自由曲面反射面的形貌.采用基于该方法得到的自由曲面优化设计了一种折反式超短焦投影物镜, 可将0.65 inch的数字微镜器件芯片在230 mm投影距离处放大为100 inch的投影画面.物镜的调制传递函数在0.43 lp/mm处优于0.4, 最大畸变优于1%.该方法简单易行, 可为大视场成像系统中自由曲面的设计提供有益参考.
几何光学 光学设计 设计方法 自由曲面 超短焦投影系统 Geometric optics Optical design Design method Freeform surfaces Ultra-short-focus projection system
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 长春国科精密光学技术有限公司, 吉林 长春 130033
为解决目前大多数紫外成像仪存在的定位和指向精度差、色差较大、分辨率及光能利用率不足等问题, 设计了一款高分辨率的大孔径消色差紫外光学系统。首先, 根据电晕放电检测的应用需求, 提出了紫外光学系统的总体设计。然后利用熔石英及氟化钙两种材料的不同色散特性, 根据改进的双胶合透镜结构设计了一款大孔径的消色差紫外光学系统, 并对该系统进行了公差分析。设计的紫外光学系统在全视场全探测范围内点列图均方根直径＜008 mm, 分辨率为20 lp/mm, 满足电力行业中对电晕探测的需求。
电晕探测 紫外成像仪 光学系统 大孔径 消色差 corona detection ultraviolet camera optical system large aperture achromatic
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 长春希达电子技术有限公司, 吉林 长春 130103
为了克服采集相机渐晕在LED显示屏逐点一致化校正过程中产生的亮度不均匀缺陷, 提出了一种基于LED显示屏本身和若干屏幕离散位置亮度测量的采集相机渐晕校正方法。首先分析了相机对LED显示屏进行数据成像采集过程及成像特征, 在此基础上, 提出了采集相机渐晕的标定方法, 得到了代表相机渐晕的拟合曲面, 从而计算出采集相机上每一像素点的渐晕修正系数。利用上述方法对LED显示屏进行了单箱亮度校正实验。实验结果表明: 单箱校正的显示均匀性从渐晕修正前的6.69%缩小到修正后的1.49%。经过对相机影像渐晕修正以后, 可以完全消除修正前的亮度曲面分布, 从而克服了修正前LED显示屏中心暗、四周亮的缺陷, 达到了理想的多屏拼接校正效果。
LED显示屏 渐晕修正 图像均匀度 曲面拟合 LED display screen vignetting calibration image uniformity surface fitting
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
针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求，设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片(DMD)作为空间光调制器，利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离，然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成，焦距为2.8 mm，F/#为3.5，最小视场角为55°，最大视场角为78.5°，在投影距离为120 mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明：在像面的Nyquist频率处，95%以上视场的MTF＞0.6，最大畸变量为0.8TV%，一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能，加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好，能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。
光学设计 投影显示 大屏幕显示 数字微反射镜片 超薄投影显示系统 非球面反射镜 optical design projection display large screen display digital micromirror device ultra-thin projection display system aspheric mirror
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 长春希达电子技术有限公司, 吉林 长春130103
为了抑制数码相机拍摄LED显示屏时图像中存在的莫尔条纹现象, 对莫尔条纹产生的机理及其特性进行了理论分析。提出了利用多层散射膜抑制高密度LED显示屏莫尔条纹的方法。利用光学模拟程序对莫尔条纹抑制装置进行了仿真验证, 对其中的关键参数进行了优化。利用优化后的莫尔条纹抑制结果在P2.5 mm 高密度LED显示样箱上进行了实验验证。实验观察结果与理论分析吻合, 该装置可大幅度降低莫尔条纹的对比度, 证明了方法的有效性。
高密度LED显示屏 莫尔条纹 光散射膜 填充因子 high-density LED display screen Moiré phenomenon optical scattering film fill factor
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
激光显示具有色域大、颜色饱和度高、显示画面尺寸灵活可变、无电磁射线辐射等优点。本文根据应用要求，研究和设计了一种用于球幕投影的激光显示广角镜头。分析和计算了激光三基色的白场和光功率匹配参数。投影物镜采用远心反远结构，并且为全球面光学系统，易于加工和检测。设计中有效地控制了系统畸变，利用光阑像差提高了投影显示像面边缘的光照度，改善了像面照度的均匀性，解决了广角系统中像面照度不均匀和畸变控制的难题。投影系统焦距为113 ｍｍ，F#数为25; 全视场角可达到110°。Nyquist频率处，90%视场内MTF大于06，像面照度均匀性优于95%，全视场畸变小于15%; 色差小于05 pixel。分析结果表明，本文提出光学设计思路和方法可行，满足应用需求。
激光显示 色度学 球幕投影 广角镜头 laser display colorimetry dome screen projection wide angle lens
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 长春希达电子技术有限公司， 吉林 长春130103
针对传统LED显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点，基于非成像光学理论，提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩，从而避免了外表面全反射损耗，大幅度提高了系统的光能利用率。利用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配，提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例，根据上述方法设计了一个P10 mm全彩LED显示模块，利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹，并对设计结果进行了分析。结果表明，系统光能利用率大于70%，画面填充比接近100%，单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。
LED显示屏 画面填充比 光能利用率 非成像光学 LED display screen imaging filling ratio optical energy utilization rate non-imaging optics
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
为了高精度测量光学元件的曲率半径，提出了一种利用反射式计算全息元件结合波长移相干涉测长技术测量光学球面曲率半径的方法。测试中,将反射式计算全息元件作为基准来标定所用标准镜头参考面的曲率半径，利用波长移相干涉技术测量干涉腔腔长，通过计算分析得到被测元件的曲率半径。文中描述了该方法的系统构成及其工作原理。结合实例，运用理论分析与软件仿真模拟分析了方法的测量不确定度。最后，利用实验室现有的商用波长移相干涉仪进行了实验验证。对一口径为100 mm的球面样品进行曲率半径的测量，得到的结果为157.108 3 mm; 利用接触式球径仪法对同一样品进行对比测量，结果显示相对误差小于0.02%。与其它目前已有的非接触式曲率半径测量方法相比，提出的方法具有误差源少、测量精度高、易于操作等优点。
光学元件 曲率半径测量 不确定度分析 计算全息 波长移相 optical element curvature radius measurement uncertainty analysis computer generated hologram wavelength shifting 光学 精密工程
2013, 21(10): 2495
