含高次塑料非球面的头盔微光夜视物镜设计

２０１３年１２月 第２４卷　第６期 照明工程学报 ｚｈａｏｍｉｎｇｇｏｎｇｃｈｅｎｇｘｕｅｂａｏ ｄｅｃ．　２０１３ ｖｏｌ畅２４　ｎｏ畅６ 基于不同高度ｌｅｄ泛光灯实现相同照明效果的 二次非球面透镜设计 曹悦阳　金亨辰　郭凖燮 （国立顺天大学印刷电子工程系，韩国顺天　５４０－７４２） 摘　要：本文针对不同安装高度的１５０ｗｌｅｄ泛光灯二次透镜进行研究，实现了在不改变灯具与ｌｅｄ光源条件下， 仅通过更换ｌｅｄ二次透镜并调整安装高度便可得到相同均匀的照明效果。使用光学设计软件ｌｉｇｈｔｔｏｏｌｓ设计了发光 角度分别为６０°、９０°、１２０°的三款ｌｅｄ泛光灯的非球面透镜，选取２０ｍ×２０ｍ的地面作为接收面，分别对发光角 度为６０°的泛光灯安装高度在１２ｍ～２２ｍ，９０°的泛光灯安装高度在１０ｍ～２０ｍ，以及１２０°的泛光灯安装高度在８ｍ～ １８

凸二次非球面反射镜的自准法检验

在反射光学系统中大多采用凸非球面,但凸非球面的加工和检验一直是比较困难的问题。利用透射凸二次非球面具有自消像差的能力,从三级像差理论出发,提出了凸二次非球面的透射式自准检验和反射式自准检验两种方案,解决了采用hindle球检验口径过大的问题。以某型号准600r蛳c系统的凸次镜为例,分析了加工过程中的检验精度,并和hindle球检验方法进行比较。结果表明,凸非球面的自准检验是一种切实可行的高精度检验方法。

根据现代化头盔显示系统在像质、畸变和轻小型化方面的高要求,设计了一个视场为62°、出瞳距离为30mm、出瞳直径为8mm、采用2.794cm(1.1")微显示器的折/衍混杂投影式头盔的物镜系统。设计结果表明,系统满足高清晰的xga的显示模式,其畸变仅为±0.66%。其质量也仅为62g,是传统头盔光学系统的1/6,实现了轻小型化。结合投影式头盔显示的其他特点,如物体的正确“闭塞”、深度可感知、多用户的互不干扰等,本设计系统在可视化培训、交互环境、掌中电脑、数字化个兵等领域有重要的应用。

本文介绍了采用数控加工技术在自行研制的五轴数控抛光机床上,抛光中大口径方形非球面镜的加工工艺。针对中大口径方形光学元件的边部和角部难加工的情况,通过优化工艺参数以及完善设备的结构设计,确定合理抛光路径,结合控制软件进行抛光加工工艺实验,在一定程度上控制了边部的翘边和角部的塌边,得到了预期的实验结果:加工340mm×340mm的非球面光学元件,面型精度pv≤λ/5,表面粗糙度rq≤1.2nm,加工效率得到了有效的提高,面型收敛趋于稳定。

在用刀口检验凸双曲面反射镜时,一般采用传统的hindle球检测法,但是在许多仪器中,需要曲面反射镜全口径使用,因此,hindle球检测法是不合适的。此外,在很多情况下,刀口到待检非球面的距离很长,从而降低了刀口检验精度。为了解决这些问题,结合口径φ=120mm的凸双曲面的检测,在分析了传统检验方法的基础上,提出了有限距离球面波入射的凸非球面透射补偿检验方法。从设计结果上看,它缩短了刀口到待检非球面的距离,获得高精度补偿。实践表明,这种方法不仅能够提高加工效率,而且提高了加工精度,实际加工完成后,这块凸双曲面的rms值达到了λ/60。

为提高手机镜头的成像分辨率和视场角,采用二片玻璃非球面透镜与一片塑胶非球面透镜,设计出新型的大视场角、高分辨率的手机照相镜头。镜头的设计总长6mm,玻璃非球面系数最高阶为10阶。采用的图像传感器为kodak的kac-3100,为310万像素的cmos传感器,像素尺寸为2.7μm,对角线长6.9mm。镜头设计的极限分辨率为185lp/mm,镜头设计的视场角为66°,大于一般的手机镜头。像高为3.4418mm,f数为2.8,在奈奎斯特频率处所有视场的mtf(调制传递函数)值大于0.15,具有较好的成像质量;在66°时成像的畸变为?0.93%,光斑的rms(均方根值)直径为9.6μm。新镜头由前端2片非球面玻璃镜片、后端1片塑胶非球面镜片和1片滤光片组成,结构紧凑。玻璃非球面镜片可采用新型热模压成型技术制造,镜头热稳定性强,其成像分辨率达到2048×1536像素,有效焦距为5.3mm,适合用于中高档手机。

塑料透镜热膨胀系数大,而塑料自由曲面棱镜将整个光路集成在一块镜子上,一个或几个曲面的变形会影响到整个光学系统,尽管在光学设计上各种光学参数满足要求,但在一定热载荷下的热变形会破坏这种状态。从理论上推导了透镜热变形的机理,得到了热弹性力学的位移微分方程。给出了具体分析实例,用有限元的方法分析了给定热载荷对光学系统的影响,并给出了镜面变形结果,为塑料光学系统的设计和评价提供了一种新的依据。

非球面玻璃模造镜片制程技术 第一章：玻璃模造技术的优点 1-1模造塑料镜片vs.模造玻璃镜片 玻璃模造镜片和塑料镜片的差异-- 玻璃模造镜片和塑料镜片的差异在哪里呢？以光学系统的适用上来说，玻璃有多样好处，例如玻璃本身耐 高温，有较高的透光率、折射率，和抗湿度，玻璃材质的稳定度也比塑料来得好。但是，塑料也有其优点， 因为它的变形量比玻璃大，可以作较大尺寸的光学镜片；其次，在重量和价格上也比玻璃来得轻来得便宜。 因此，当我们在选择光学镜片的时候，应从不同的取向去判断最符合需要的镜片。 1-2传统研磨玻璃镜片vs.模造玻璃镜片 传统研磨玻璃镜片和模造玻璃镜片的比较-- 在讲述玻璃模造技术之前，我们先了解一下它和传统的光学玻璃镜片制作有什么不同。 传统的玻璃镜片制作技术需要经过繁复的步骤，例如粗磨、细磨、拋光等，所花的时间相对的增多。然 而，模造光学镜片的产生，只

由于不规则的外形,玻璃预制件的选择直接影响异形非球面透镜的成型。本文通过有限元法探讨不同预制件对成型透镜的影响,首先选择了一个比较典型的异形非球面透镜作为目标透镜,将球形玻璃和圆柱形玻璃作为预制件,采用高级非线性有限元程序msc.marc,仿真该异形非球面透镜的成型过程。基于仿真,对比分析其成型性、残余应力、面形精度。结果表明,圆柱形玻璃预制件更适合成型异形非球面玻璃透镜。

凸非球面检验是光学检验中一个比较困难的问题。结合一块φ110mm的凸双曲面镜,在分析几种传统检验方法的基础上,提出了一种用透镜组补偿检验凸非球面的新方法。令球差系数∑s1=0,用三级像差理论求解光学系统的初始结构,并通过zemax光学设计软件对初始结构进行优化,克服了传统检验方法的缺点和不足。从设计结果可以看出,系统的像差得到了很好的校正,使得凸双曲面达到了很高的检验精度,从而使非球面的检验更加方便。

非球面顶点半径和二次常数干涉测量是对二次曲面离轴子孔径在弧矢、子午和中间焦点位置直接干涉测量,拟合得到初级像差系数,并结合位置差计算出顶点曲率半径和二次常数。详细介绍了该方法的基本原理,在此基础上将子孔径中心法线与光轴夹角分解为两个倾角分量α和β引入,改进了现有模型。提出在子孔径对称情况下,可通过调整、控制特定项的泽尼克系数值,消除β分量,进而对新的模型进行了简化,只考虑α分量的影响,给出了仅存在该分量时的非球面顶点半径和二次常数的计算公式,编写了仿真程序。在α=0.03°,β=0时,直径100mm,f数为3的抛物面反射镜离轴子孔径的初级像差系数的理论计算和数值仿真结果最大偏差仅为0.0002λ。研究表明:在子孔径中心法线与光轴的调整存在一定误差时,在弧矢、子午和中间焦点处的初级像差系数特征关系仍然成立。

基于朗奇(ronchi)检验法和同步相位探测技术,在点光源离轴情况下提出一种检验非球面反射镜的方法。该方法利用透射液晶显示器(lcd)显示垂直和水平两个方向的正弦光栅,由摄像机记录经被测镜面反射产生的光栅变形条纹图,通过四步相移法获得条纹图的相位分布。由变形条纹和光栅的同名相位点确定被测镜面每一点的横向像差,对应理想镜面的横向像差由几何关系算出,通过两镜面对应点的横向像差之差获得待测点面形偏差的梯度信息,对其积分恢复面形偏差,最后重建被测面形。检测中光栅由计算机产生,可实现精确的相移,使垂直和水平光栅严格达到90°。采用预设标记点来引导相位展开,有效地解决了变形条纹和光栅的相位对应问题。模拟和实验初步验证了这一方法的可行性。

设计一种特殊的应用于计算全息法(cgh)高精度检测离轴凸非球面系统的照明系统。该照明系统一方面用作参考系统,另一方面将检测光近似垂直投射到待检测镜面上,使得检测系统为近似共光路系统,降低照明系统的制造精度。分析了照明系统的几何光路模型,将复杂的两用途系统简化,得到照明系统工作距离、照明系统焦距以及参考面曲率半径三个特征参量之间的关系。设计时,通过控制这几个特征参量,得到满足检测要求的系统初始结构。设计结果表明,该方法可以满足系统使用要求。

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400mm,焦距为8m的离轴平行光管的温变为(20±10)℃,系统波像差为1/5λ(p-v值,λ=632.8nm)和1/27λ(rms值),达到了设计要求,能够在外场环境下使用。

构建了一台数字化刀口仪,利用该数字刀口仪对二次非球面光学元件进行实际检验,获得了非球面光学元件表面面形的均方根(rms)值和峰谷(pv)值。将数字刀口仪测量结果与干涉仪测量结果进行比较,测量结果的一致性在0.001μm以内,验证了数字刀口仪定量检测非球面光学元件的可行性以及所研究的数字刀口仪的准确性。最后对测量结果进行了讨论。

非球面玻璃镜片四轴磨削加工的加工硬件和加工工艺都具有很强的专业性,因而产品的加工精度控制问题显得十分突出。以玻璃镜片精加工后表面粗糙度和面型精度为加工精度指标,对加工过程进行了详细分析,总结出误差产生的原因以及各种误差对加工结果的影响。结合对误差数据的分析,给出了相应的补加工解决方案,生成补加工轨迹。

介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计。设计参数为焦距100mm,相对孔径1/1.4,视场10°。为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻。在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度。经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50lp/mm时,轴上传递函数大于0.4,轴外传递函数大于0.2,与像增强器极限分辨率相匹配,全视场畸变小于2%,物镜总长达到67mm。

针对传统的基于球面显微成像的光纤连接器端面检测系统结构和像差的问题,将制作工艺日趋成熟的非球面模压玻璃透镜引入到检测系统中。介绍了非球面透镜设计的基本原理和非球面光学玻璃透镜模压成型的基本工艺,分别设计了球面透镜和非球面模压透镜检测系统,给出了系统的结构参数,评价了系统的成像质量。在系统分辨率相同的情况下,得到了结构简单、共轭距更短,有利于工程应用的非球面检测系统。给出了检测系统的机械结构图,并将非球面系统应用到实际生产和在线检测中,达到了设计的要求。

玻璃非球面零件的加工是目前光学零件加工技术中较为辣手的问题之一。本文根据零件加工中的一些实际经验，介绍玻璃非球面透镜的数控加工方法，阐述加工过程的四大步骤以及检测和修正办法。为常规非球面零件的加工提供工艺技术支持。

介绍一种应用cad／cam技术，加工钢制非球面塑料透镜型胶的工艺。它涉及到非球面铜制型腔的工艺型腔设计、数控成型、精修抛光、测量等一系列技术。已制造了多种非球面型腔，正应用于照相机取景器、摄影镜头、望远镜、小型变焦镜头等产品。其中t902照相机摄影镜头已成批生产，精度达到设计和使用的要求。

为了将自身打造成数据和通信领域材料的一站式供应商,肖特电子封装事业部日前宣布将推出非球面透镜管帽,为全球客户提供更完整的解决方案。此项新产品采用业界验证认可的低温焊料玻璃,将模压成型的低熔点玻璃封接到机加工体(通常是to管帽)内研制而成。