含高次塑料非球面的頭盔微光夜視物鏡設(shè)計(jì)

２０１３年１２月 第２４卷　第６期 照明工程學(xué)報(bào) ｚｈａｏｍｉｎｇｇｏｎｇｃｈｅｎｇｘｕｅｂａｏ ｄｅｃ．?。玻埃保?ｖｏｌ暢２４　ｎｏ暢６ 基于不同高度ｌｅｄ泛光燈實(shí)現(xiàn)相同照明效果的 二次非球面透鏡設(shè)計(jì) 曹悅陽(yáng)　金亨辰　郭凖燮 （國(guó)立順天大學(xué)印刷電子工程系，韓國(guó)順天?。担矗埃罚矗玻?摘　要：本文針對(duì)不同安裝高度的１５０ｗｌｅｄ泛光燈二次透鏡進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了在不改變燈具與ｌｅｄ光源條件下， 僅通過更換ｌｅｄ二次透鏡并調(diào)整安裝高度便可得到相同均勻的照明效果。使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ｌｉｇｈｔｔｏｏｌｓ設(shè)計(jì)了發(fā)光 角度分別為６０°、９０°、１２０°的三款ｌｅｄ泛光燈的非球面透鏡，選?。玻埃怼粒玻埃淼牡孛孀鳛榻邮彰?，分別對(duì)發(fā)光角 度為６０°的泛光燈安裝高度在１２ｍ～２２ｍ，９０°的泛光燈安裝高度在１０ｍ～２０ｍ，以及１２０°的泛光燈安裝高度在８ｍ～ １８

凸二次非球面反射鏡的自準(zhǔn)法檢驗(yàn)

在反射光學(xué)系統(tǒng)中大多采用凸非球面,但凸非球面的加工和檢驗(yàn)一直是比較困難的問題。利用透射凸二次非球面具有自消像差的能力,從三級(jí)像差理論出發(fā),提出了凸二次非球面的透射式自準(zhǔn)檢驗(yàn)和反射式自準(zhǔn)檢驗(yàn)兩種方案,解決了采用hindle球檢驗(yàn)口徑過大的問題。以某型號(hào)準(zhǔn)600r螄c系統(tǒng)的凸次鏡為例,分析了加工過程中的檢驗(yàn)精度,并和hindle球檢驗(yàn)方法進(jìn)行比較。結(jié)果表明,凸非球面的自準(zhǔn)檢驗(yàn)是一種切實(shí)可行的高精度檢驗(yàn)方法。

根據(jù)現(xiàn)代化頭盔顯示系統(tǒng)在像質(zhì)、畸變和輕小型化方面的高要求,設(shè)計(jì)了一個(gè)視場(chǎng)為62°、出瞳距離為30mm、出瞳直徑為8mm、采用2.794cm(1.1")微顯示器的折/衍混雜投影式頭盔的物鏡系統(tǒng)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,系統(tǒng)滿足高清晰的xga的顯示模式,其畸變僅為±0.66%。其質(zhì)量也僅為62g,是傳統(tǒng)頭盔光學(xué)系統(tǒng)的1/6,實(shí)現(xiàn)了輕小型化。結(jié)合投影式頭盔顯示的其他特點(diǎn),如物體的正確“閉塞”、深度可感知、多用戶的互不干擾等,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在可視化培訓(xùn)、交互環(huán)境、掌中電腦、數(shù)字化個(gè)兵等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

本文介紹了采用數(shù)控加工技術(shù)在自行研制的五軸數(shù)控拋光機(jī)床上,拋光中大口徑方形非球面鏡的加工工藝。針對(duì)中大口徑方形光學(xué)元件的邊部和角部難加工的情況,通過優(yōu)化工藝參數(shù)以及完善設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定合理拋光路徑,結(jié)合控制軟件進(jìn)行拋光加工工藝實(shí)驗(yàn),在一定程度上控制了邊部的翹邊和角部的塌邊,得到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:加工340mm×340mm的非球面光學(xué)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,面型收斂趨于穩(wěn)定。

在用刀口檢驗(yàn)凸雙曲面反射鏡時(shí),一般采用傳統(tǒng)的hindle球檢測(cè)法,但是在許多儀器中,需要曲面反射鏡全口徑使用,因此,hindle球檢測(cè)法是不合適的。此外,在很多情況下,刀口到待檢非球面的距離很長(zhǎng),從而降低了刀口檢驗(yàn)精度。為了解決這些問題,結(jié)合口徑φ=120mm的凸雙曲面的檢測(cè),在分析了傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,提出了有限距離球面波入射的凸非球面透射補(bǔ)償檢驗(yàn)方法。從設(shè)計(jì)結(jié)果上看,它縮短了刀口到待檢非球面的距離,獲得高精度補(bǔ)償。實(shí)踐表明,這種方法不僅能夠提高加工效率,而且提高了加工精度,實(shí)際加工完成后,這塊凸雙曲面的rms值達(dá)到了λ/60。

為提高手機(jī)鏡頭的成像分辨率和視場(chǎng)角,采用二片玻璃非球面透鏡與一片塑膠非球面透鏡,設(shè)計(jì)出新型的大視場(chǎng)角、高分辨率的手機(jī)照相鏡頭。鏡頭的設(shè)計(jì)總長(zhǎng)6mm,玻璃非球面系數(shù)最高階為10階。采用的圖像傳感器為kodak的kac-3100,為310萬像素的cmos傳感器,像素尺寸為2.7μm,對(duì)角線長(zhǎng)6.9mm。鏡頭設(shè)計(jì)的極限分辨率為185lp/mm,鏡頭設(shè)計(jì)的視場(chǎng)角為66°,大于一般的手機(jī)鏡頭。像高為3.4418mm,f數(shù)為2.8,在奈奎斯特頻率處所有視場(chǎng)的mtf(調(diào)制傳遞函數(shù))值大于0.15,具有較好的成像質(zhì)量;在66°時(shí)成像的畸變?yōu)?0.93%,光斑的rms(均方根值)直徑為9.6μm。新鏡頭由前端2片非球面玻璃鏡片、后端1片塑膠非球面鏡片和1片濾光片組成,結(jié)構(gòu)緊湊。玻璃非球面鏡片可采用新型熱模壓成型技術(shù)制造,鏡頭熱穩(wěn)定性強(qiáng),其成像分辨率達(dá)到2048×1536像素,有效焦距為5.3mm,適合用于中高檔手機(jī)。

塑料透鏡熱膨脹系數(shù)大,而塑料自由曲面棱鏡將整個(gè)光路集成在一塊鏡子上,一個(gè)或幾個(gè)曲面的變形會(huì)影響到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng),盡管在光學(xué)設(shè)計(jì)上各種光學(xué)參數(shù)滿足要求,但在一定熱載荷下的熱變形會(huì)破壞這種狀態(tài)。從理論上推導(dǎo)了透鏡熱變形的機(jī)理,得到了熱彈性力學(xué)的位移微分方程。給出了具體分析實(shí)例,用有限元的方法分析了給定熱載荷對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響,并給出了鏡面變形結(jié)果,為塑料光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供了一種新的依據(jù)。

非球面玻璃模造鏡片制程技術(shù) 第一章：玻璃模造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 1-1模造塑料鏡片vs.模造玻璃鏡片 玻璃模造鏡片和塑料鏡片的差異-- 玻璃模造鏡片和塑料鏡片的差異在哪里呢？以光學(xué)系統(tǒng)的適用上來說，玻璃有多樣好處，例如玻璃本身耐 高溫，有較高的透光率、折射率，和抗?jié)穸?，玻璃材質(zhì)的穩(wěn)定度也比塑料來得好。但是，塑料也有其優(yōu)點(diǎn)， 因?yàn)樗淖冃瘟勘炔ＡТ?，可以作較大尺寸的光學(xué)鏡片；其次，在重量和價(jià)格上也比玻璃來得輕來得便宜。 因此，當(dāng)我們?cè)谶x擇光學(xué)鏡片的時(shí)候，應(yīng)從不同的取向去判斷最符合需要的鏡片。 1-2傳統(tǒng)研磨玻璃鏡片vs.模造玻璃鏡片 傳統(tǒng)研磨玻璃鏡片和模造玻璃鏡片的比較-- 在講述玻璃模造技術(shù)之前，我們先了解一下它和傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃鏡片制作有什么不同。 傳統(tǒng)的玻璃鏡片制作技術(shù)需要經(jīng)過繁復(fù)的步驟，例如粗磨、細(xì)磨、拋光等，所花的時(shí)間相對(duì)的增多。然 而，模造光學(xué)鏡片的產(chǎn)生，只

由于不規(guī)則的外形,玻璃預(yù)制件的選擇直接影響異形非球面透鏡的成型。本文通過有限元法探討不同預(yù)制件對(duì)成型透鏡的影響,首先選擇了一個(gè)比較典型的異形非球面透鏡作為目標(biāo)透鏡,將球形玻璃和圓柱形玻璃作為預(yù)制件,采用高級(jí)非線性有限元程序msc.marc,仿真該異形非球面透鏡的成型過程?；诜抡?對(duì)比分析其成型性、殘余應(yīng)力、面形精度。結(jié)果表明,圓柱形玻璃預(yù)制件更適合成型異形非球面玻璃透鏡。

凸非球面檢驗(yàn)是光學(xué)檢驗(yàn)中一個(gè)比較困難的問題。結(jié)合一塊φ110mm的凸雙曲面鏡,在分析幾種傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,提出了一種用透鏡組補(bǔ)償檢驗(yàn)凸非球面的新方法。令球差系數(shù)∑s1=0,用三級(jí)像差理論求解光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu),并通過zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,克服了傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法的缺點(diǎn)和不足。從設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出,系統(tǒng)的像差得到了很好的校正,使得凸雙曲面達(dá)到了很高的檢驗(yàn)精度,從而使非球面的檢驗(yàn)更加方便。

非球面頂點(diǎn)半徑和二次常數(shù)干涉測(cè)量是對(duì)二次曲面離軸子孔徑在弧矢、子午和中間焦點(diǎn)位置直接干涉測(cè)量,擬合得到初級(jí)像差系數(shù),并結(jié)合位置差計(jì)算出頂點(diǎn)曲率半徑和二次常數(shù)。詳細(xì)介紹了該方法的基本原理,在此基礎(chǔ)上將子孔徑中心法線與光軸夾角分解為兩個(gè)傾角分量α和β引入,改進(jìn)了現(xiàn)有模型。提出在子孔徑對(duì)稱情況下,可通過調(diào)整、控制特定項(xiàng)的澤尼克系數(shù)值,消除β分量,進(jìn)而對(duì)新的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,只考慮α分量的影響,給出了僅存在該分量時(shí)的非球面頂點(diǎn)半徑和二次常數(shù)的計(jì)算公式,編寫了仿真程序。在α=0.03°,β=0時(shí),直徑100mm,f數(shù)為3的拋物面反射鏡離軸子孔徑的初級(jí)像差系數(shù)的理論計(jì)算和數(shù)值仿真結(jié)果最大偏差僅為0.0002λ。研究表明:在子孔徑中心法線與光軸的調(diào)整存在一定誤差時(shí),在弧矢、子午和中間焦點(diǎn)處的初級(jí)像差系數(shù)特征關(guān)系仍然成立。

基于朗奇(ronchi)檢驗(yàn)法和同步相位探測(cè)技術(shù),在點(diǎn)光源離軸情況下提出一種檢驗(yàn)非球面反射鏡的方法。該方法利用透射液晶顯示器(lcd)顯示垂直和水平兩個(gè)方向的正弦光柵,由攝像機(jī)記錄經(jīng)被測(cè)鏡面反射產(chǎn)生的光柵變形條紋圖,通過四步相移法獲得條紋圖的相位分布。由變形條紋和光柵的同名相位點(diǎn)確定被測(cè)鏡面每一點(diǎn)的橫向像差,對(duì)應(yīng)理想鏡面的橫向像差由幾何關(guān)系算出,通過兩鏡面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橫向像差之差獲得待測(cè)點(diǎn)面形偏差的梯度信息,對(duì)其積分恢復(fù)面形偏差,最后重建被測(cè)面形。檢測(cè)中光柵由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生,可實(shí)現(xiàn)精確的相移,使垂直和水平光柵嚴(yán)格達(dá)到90°。采用預(yù)設(shè)標(biāo)記點(diǎn)來引導(dǎo)相位展開,有效地解決了變形條紋和光柵的相位對(duì)應(yīng)問題。模擬和實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了這一方法的可行性。

設(shè)計(jì)一種特殊的應(yīng)用于計(jì)算全息法(cgh)高精度檢測(cè)離軸凸非球面系統(tǒng)的照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)一方面用作參考系統(tǒng),另一方面將檢測(cè)光近似垂直投射到待檢測(cè)鏡面上,使得檢測(cè)系統(tǒng)為近似共光路系統(tǒng),降低照明系統(tǒng)的制造精度。分析了照明系統(tǒng)的幾何光路模型,將復(fù)雜的兩用途系統(tǒng)簡(jiǎn)化,得到照明系統(tǒng)工作距離、照明系統(tǒng)焦距以及參考面曲率半徑三個(gè)特征參量之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí),通過控制這幾個(gè)特征參量,得到滿足檢測(cè)要求的系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該方法可以滿足系統(tǒng)使用要求。

為了滿足高精度相機(jī)在外場(chǎng)環(huán)境下的檢測(cè)要求,采用碳化硅光學(xué)材料制作反射鏡,碳纖/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制作遮光筒,設(shè)計(jì)了一套重量輕、自身精度高、溫度穩(wěn)定性好的離軸平行光管。在二者線脹系數(shù)保持二倍關(guān)系的情況下,在一定溫變范圍內(nèi)保持精度的穩(wěn)定性。經(jīng)檢測(cè),口徑為400mm,焦距為8m的離軸平行光管的溫變?yōu)?20±10)℃,系統(tǒng)波像差為1/5λ(p-v值,λ=632.8nm)和1/27λ(rms值),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,能夠在外場(chǎng)環(huán)境下使用。

構(gòu)建了一臺(tái)數(shù)字化刀口儀,利用該數(shù)字刀口儀對(duì)二次非球面光學(xué)元件進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn),獲得了非球面光學(xué)元件表面面形的均方根(rms)值和峰谷(pv)值。將數(shù)字刀口儀測(cè)量結(jié)果與干涉儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,測(cè)量結(jié)果的一致性在0.001μm以內(nèi),驗(yàn)證了數(shù)字刀口儀定量檢測(cè)非球面光學(xué)元件的可行性以及所研究的數(shù)字刀口儀的準(zhǔn)確性。最后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了討論。

非球面玻璃鏡片四軸磨削加工的加工硬件和加工工藝都具有很強(qiáng)的專業(yè)性,因而產(chǎn)品的加工精度控制問題顯得十分突出。以玻璃鏡片精加工后表面粗糙度和面型精度為加工精度指標(biāo),對(duì)加工過程進(jìn)行了詳細(xì)分析,總結(jié)出誤差產(chǎn)生的原因以及各種誤差對(duì)加工結(jié)果的影響。結(jié)合對(duì)誤差數(shù)據(jù)的分析,給出了相應(yīng)的補(bǔ)加工解決方案,生成補(bǔ)加工軌跡。

介紹一種長(zhǎng)焦距、大相對(duì)孔徑微光夜視物鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)為焦距100mm,相對(duì)孔徑1/1.4,視場(chǎng)10°。為增大視距,減小物鏡尺寸和質(zhì)量,并且滿足在寬光譜范圍消色差的要求,選擇均為球面的折反式物鏡結(jié)構(gòu),在相同焦距和相對(duì)孔徑的條件下折反式系統(tǒng)比折射系統(tǒng)尺寸更小,質(zhì)量更輕。在設(shè)計(jì)過程中引入曼金反射鏡,增加設(shè)計(jì)自由度。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到較好的成像質(zhì)量,空間頻率在50lp/mm時(shí),軸上傳遞函數(shù)大于0.4,軸外傳遞函數(shù)大于0.2,與像增強(qiáng)器極限分辨率相匹配,全視場(chǎng)畸變小于2%,物鏡總長(zhǎng)達(dá)到67mm。

針對(duì)傳統(tǒng)的基于球面顯微成像的光纖連接器端面檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和像差的問題,將制作工藝日趨成熟的非球面模壓玻璃透鏡引入到檢測(cè)系統(tǒng)中。介紹了非球面透鏡設(shè)計(jì)的基本原理和非球面光學(xué)玻璃透鏡模壓成型的基本工藝,分別設(shè)計(jì)了球面透鏡和非球面模壓透鏡檢測(cè)系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),評(píng)價(jià)了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。在系統(tǒng)分辨率相同的情況下,得到了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、共軛距更短,有利于工程應(yīng)用的非球面檢測(cè)系統(tǒng)。給出了檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖,并將非球面系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)和在線檢測(cè)中,達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

玻璃非球面零件的加工是目前光學(xué)零件加工技術(shù)中較為辣手的問題之一。本文根據(jù)零件加工中的一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，介紹玻璃非球面透鏡的數(shù)控加工方法，闡述加工過程的四大步驟以及檢測(cè)和修正辦法。為常規(guī)非球面零件的加工提供工藝技術(shù)支持。

介紹一種應(yīng)用cad／cam技術(shù)，加工鋼制非球面塑料透鏡型膠的工藝。它涉及到非球面銅制型腔的工藝型腔設(shè)計(jì)、數(shù)控成型、精修拋光、測(cè)量等一系列技術(shù)。已制造了多種非球面型腔，正應(yīng)用于照相機(jī)取景器、攝影鏡頭、望遠(yuǎn)鏡、小型變焦鏡頭等產(chǎn)品。其中t902照相機(jī)攝影鏡頭已成批生產(chǎn)，精度達(dá)到設(shè)計(jì)和使用的要求。

為了將自身打造成數(shù)據(jù)和通信領(lǐng)域材料的一站式供應(yīng)商,肖特電子封裝事業(yè)部日前宣布將推出非球面透鏡管帽,為全球客戶提供更完整的解決方案。此項(xiàng)新產(chǎn)品采用業(yè)界驗(yàn)證認(rèn)可的低溫焊料玻璃,將模壓成型的低熔點(diǎn)玻璃封接到機(jī)加工體(通常是to管帽)內(nèi)研制而成。