含高次塑料非球面的頭盔微光夜視物鏡設計

２０１３年１２月 第２４卷　第６期 照明工程學報 ｚｈａｏｍｉｎｇｇｏｎｇｃｈｅｎｇｘｕｅｂａｏ ｄｅｃ．　２０１３ ｖｏｌ暢２４?。睿飼常?基于不同高度ｌｅｄ泛光燈實現(xiàn)相同照明效果的 二次非球面透鏡設計 曹悅陽　金亨辰　郭凖燮 （國立順天大學印刷電子工程系，韓國順天?。担矗埃罚矗玻?摘　要：本文針對不同安裝高度的１５０ｗｌｅｄ泛光燈二次透鏡進行研究，實現(xiàn)了在不改變燈具與ｌｅｄ光源條件下， 僅通過更換ｌｅｄ二次透鏡并調整安裝高度便可得到相同均勻的照明效果。使用光學設計軟件ｌｉｇｈｔｔｏｏｌｓ設計了發(fā)光 角度分別為６０°、９０°、１２０°的三款ｌｅｄ泛光燈的非球面透鏡，選取２０ｍ×２０ｍ的地面作為接收面，分別對發(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法檢驗

在反射光學系統(tǒng)中大多采用凸非球面,但凸非球面的加工和檢驗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,從三級像差理論出發(fā),提出了凸二次非球面的透射式自準檢驗和反射式自準檢驗兩種方案,解決了采用hindle球檢驗口徑過大的問題。以某型號準600r螄c系統(tǒng)的凸次鏡為例,分析了加工過程中的檢驗精度,并和hindle球檢驗方法進行比較。結果表明,凸非球面的自準檢驗是一種切實可行的高精度檢驗方法。

根據(jù)現(xiàn)代化頭盔顯示系統(tǒng)在像質、畸變和輕小型化方面的高要求,設計了一個視場為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)。設計結果表明,系統(tǒng)滿足高清晰的xga的顯示模式,其畸變僅為±0.66%。其質量也僅為62g,是傳統(tǒng)頭盔光學系統(tǒng)的1/6,實現(xiàn)了輕小型化。結合投影式頭盔顯示的其他特點,如物體的正確“閉塞”、深度可感知、多用戶的互不干擾等,本設計系統(tǒng)在可視化培訓、交互環(huán)境、掌中電腦、數(shù)字化個兵等領域有重要的應用。

本文介紹了采用數(shù)控加工技術在自行研制的五軸數(shù)控拋光機床上,拋光中大口徑方形非球面鏡的加工工藝。針對中大口徑方形光學元件的邊部和角部難加工的情況,通過優(yōu)化工藝參數(shù)以及完善設備的結構設計,確定合理拋光路徑,結合控制軟件進行拋光加工工藝實驗,在一定程度上控制了邊部的翹邊和角部的塌邊,得到了預期的實驗結果:加工340mm×340mm的非球面光學元件,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。

在用刀口檢驗凸雙曲面反射鏡時,一般采用傳統(tǒng)的hindle球檢測法,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,從而降低了刀口檢驗精度。為了解決這些問題,結合口徑φ=120mm的凸雙曲面的檢測,在分析了傳統(tǒng)檢驗方法的基礎上,提出了有限距離球面波入射的凸非球面透射補償檢驗方法。從設計結果上看,它縮短了刀口到待檢非球面的距離,獲得高精度補償。實踐表明,這種方法不僅能夠提高加工效率,而且提高了加工精度,實際加工完成后,這塊凸雙曲面的rms值達到了λ/60。

為提高手機鏡頭的成像分辨率和視場角,采用二片玻璃非球面透鏡與一片塑膠非球面透鏡,設計出新型的大視場角、高分辨率的手機照相鏡頭。鏡頭的設計總長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,對角線長6.9mm。鏡頭設計的極限分辨率為185lp/mm,鏡頭設計的視場角為66°,大于一般的手機鏡頭。像高為3.4418mm,f數(shù)為2.8,在奈奎斯特頻率處所有視場的mtf(調制傳遞函數(shù))值大于0.15,具有較好的成像質量;在66°時成像的畸變?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,結構緊湊。玻璃非球面鏡片可采用新型熱模壓成型技術制造,鏡頭熱穩(wěn)定性強,其成像分辨率達到2048×1536像素,有效焦距為5.3mm,適合用于中高檔手機。

塑料透鏡熱膨脹系數(shù)大,而塑料自由曲面棱鏡將整個光路集成在一塊鏡子上,一個或幾個曲面的變形會影響到整個光學系統(tǒng),盡管在光學設計上各種光學參數(shù)滿足要求,但在一定熱載荷下的熱變形會破壞這種狀態(tài)。從理論上推導了透鏡熱變形的機理,得到了熱彈性力學的位移微分方程。給出了具體分析實例,用有限元的方法分析了給定熱載荷對光學系統(tǒng)的影響,并給出了鏡面變形結果,為塑料光學系統(tǒng)的設計和評價提供了一種新的依據(jù)。

非球面玻璃模造鏡片制程技術 第一章：玻璃模造技術的優(yōu)點 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?，玻璃材質的穩(wěn)定度也比塑料來得好。但是，塑料也有其優(yōu)點， 因為它的變形量比玻璃大，可以作較大尺寸的光學鏡片；其次，在重量和價格上也比玻璃來得輕來得便宜。 因此，當我們在選擇光學鏡片的時候，應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之前，我們先了解一下它和傳統(tǒng)的光學玻璃鏡片制作有什么不同。 傳統(tǒng)的玻璃鏡片制作技術需要經(jīng)過繁復的步驟，例如粗磨、細磨、拋光等，所花的時間相對的增多。然 而，模造光學鏡片的產(chǎn)生，只

由于不規(guī)則的外形,玻璃預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制件對成型透鏡的影響,首先選擇了一個比較典型的異形非球面透鏡作為目標透鏡,將球形玻璃和圓柱形玻璃作為預制件,采用高級非線性有限元程序msc.marc,仿真該異形非球面透鏡的成型過程。基于仿真,對比分析其成型性、殘余應力、面形精度。結果表明,圓柱形玻璃預制件更適合成型異形非球面玻璃透鏡。

凸非球面檢驗是光學檢驗中一個比較困難的問題。結合一塊φ110mm的凸雙曲面鏡,在分析幾種傳統(tǒng)檢驗方法的基礎上,提出了一種用透鏡組補償檢驗凸非球面的新方法。令球差系數(shù)∑s1=0,用三級像差理論求解光學系統(tǒng)的初始結構,并通過zemax光學設計軟件對初始結構進行優(yōu)化,克服了傳統(tǒng)檢驗方法的缺點和不足。從設計結果可以看出,系統(tǒng)的像差得到了很好的校正,使得凸雙曲面達到了很高的檢驗精度,從而使非球面的檢驗更加方便。

非球面頂點半徑和二次常數(shù)干涉測量是對二次曲面離軸子孔徑在弧矢、子午和中間焦點位置直接干涉測量,擬合得到初級像差系數(shù),并結合位置差計算出頂點曲率半徑和二次常數(shù)。詳細介紹了該方法的基本原理,在此基礎上將子孔徑中心法線與光軸夾角分解為兩個傾角分量α和β引入,改進了現(xiàn)有模型。提出在子孔徑對稱情況下,可通過調整、控制特定項的澤尼克系數(shù)值,消除β分量,進而對新的模型進行了簡化,只考慮α分量的影響,給出了僅存在該分量時的非球面頂點半徑和二次常數(shù)的計算公式,編寫了仿真程序。在α=0.03°,β=0時,直徑100mm,f數(shù)為3的拋物面反射鏡離軸子孔徑的初級像差系數(shù)的理論計算和數(shù)值仿真結果最大偏差僅為0.0002λ。研究表明:在子孔徑中心法線與光軸的調整存在一定誤差時,在弧矢、子午和中間焦點處的初級像差系數(shù)特征關系仍然成立。

基于朗奇(ronchi)檢驗法和同步相位探測技術,在點光源離軸情況下提出一種檢驗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方向的正弦光柵,由攝像機記錄經(jīng)被測鏡面反射產(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確定被測鏡面每一點的橫向像差,對應理想鏡面的橫向像差由幾何關系算出,通過兩鏡面對應點的橫向像差之差獲得待測點面形偏差的梯度信息,對其積分恢復面形偏差,最后重建被測面形。檢測中光柵由計算機產(chǎn)生,可實現(xiàn)精確的相移,使垂直和水平光柵嚴格達到90°。采用預設標記點來引導相位展開,有效地解決了變形條紋和光柵的相位對應問題。模擬和實驗初步驗證了這一方法的可行性。

設計一種特殊的應用于計算全息法(cgh)高精度檢測離軸凸非球面系統(tǒng)的照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)一方面用作參考系統(tǒng),另一方面將檢測光近似垂直投射到待檢測鏡面上,使得檢測系統(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,將復雜的兩用途系統(tǒng)簡化,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特征參量之間的關系。設計時,通過控制這幾個特征參量,得到滿足檢測要求的系統(tǒng)初始結構。設計結果表明,該方法可以滿足系統(tǒng)使用要求。

為了滿足高精度相機在外場環(huán)境下的檢測要求,采用碳化硅光學材料制作反射鏡,碳纖/環(huán)氧樹脂基復合材料制作遮光筒,設計了一套重量輕、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)保持二倍關系的情況下,在一定溫變范圍內保持精度的穩(wěn)定性。經(jīng)檢測,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),達到了設計要求,能夠在外場環(huán)境下使用。

構建了一臺數(shù)字化刀口儀,利用該數(shù)字刀口儀對二次非球面光學元件進行實際檢驗,獲得了非球面光學元件表面面形的均方根(rms)值和峰谷(pv)值。將數(shù)字刀口儀測量結果與干涉儀測量結果進行比較,測量結果的一致性在0.001μm以內,驗證了數(shù)字刀口儀定量檢測非球面光學元件的可行性以及所研究的數(shù)字刀口儀的準確性。最后對測量結果進行了討論。

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,對加工過程進行了詳細分析,總結出誤差產(chǎn)生的原因以及各種誤差對加工結果的影響。結合對誤差數(shù)據(jù)的分析,給出了相應的補加工解決方案,生成補加工軌跡。

介紹一種長焦距、大相對孔徑微光夜視物鏡的光學設計。設計參數(shù)為焦距100mm,相對孔徑1/1.4,視場10°。為增大視距,減小物鏡尺寸和質量,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構,在相同焦距和相對孔徑的條件下折反式系統(tǒng)比折射系統(tǒng)尺寸更小,質量更輕。在設計過程中引入曼金反射鏡,增加設計自由度。經(jīng)優(yōu)化設計達到較好的成像質量,空間頻率在50lp/mm時,軸上傳遞函數(shù)大于0.4,軸外傳遞函數(shù)大于0.2,與像增強器極限分辨率相匹配,全視場畸變小于2%,物鏡總長達到67mm。

針對傳統(tǒng)的基于球面顯微成像的光纖連接器端面檢測系統(tǒng)結構和像差的問題,將制作工藝日趨成熟的非球面模壓玻璃透鏡引入到檢測系統(tǒng)中。介紹了非球面透鏡設計的基本原理和非球面光學玻璃透鏡模壓成型的基本工藝,分別設計了球面透鏡和非球面模壓透鏡檢測系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的結構參數(shù),評價了系統(tǒng)的成像質量。在系統(tǒng)分辨率相同的情況下,得到了結構簡單、共軛距更短,有利于工程應用的非球面檢測系統(tǒng)。給出了檢測系統(tǒng)的機械結構圖,并將非球面系統(tǒng)應用到實際生產(chǎn)和在線檢測中,達到了設計的要求。

玻璃非球面零件的加工是目前光學零件加工技術中較為辣手的問題之一。本文根據(jù)零件加工中的一些實際經(jīng)驗，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和修正辦法。為常規(guī)非球面零件的加工提供工藝技術支持。

介紹一種應用cad／cam技術，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計、數(shù)控成型、精修拋光、測量等一系列技術。已制造了多種非球面型腔，正應用于照相機取景器、攝影鏡頭、望遠鏡、小型變焦鏡頭等產(chǎn)品。其中t902照相機攝影鏡頭已成批生產(chǎn)，精度達到設計和使用的要求。

為了將自身打造成數(shù)據(jù)和通信領域材料的一站式供應商,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。此項新產(chǎn)品采用業(yè)界驗證認可的低溫焊料玻璃,將模壓成型的低熔點玻璃封接到機加工體(通常是to管帽)內研制而成。