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用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计

刘宵婵 陈琛 宋涛 李维善 张歆 高松 杨博

刘宵婵, 陈琛, 宋涛, 李维善, 张歆, 高松, 杨博. 用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计[J]. 应用光学, 2023, 44(1): 30-36. doi: 10.5768/JAO202344.0101005
引用本文: 刘宵婵, 陈琛, 宋涛, 李维善, 张歆, 高松, 杨博. 用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计[J]. 应用光学, 2023, 44(1): 30-36. doi: 10.5768/JAO202344.0101005
LIU Xiaochan, CHEN Chen, SONG Tao, LI Weishan, ZHANG Xin, GAO Song, YANG Bo. Optical design of spherical zone projection lens for small and medium-sized flight simulator[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(1): 30-36. doi: 10.5768/JAO202344.0101005
Citation: LIU Xiaochan, CHEN Chen, SONG Tao, LI Weishan, ZHANG Xin, GAO Song, YANG Bo. Optical design of spherical zone projection lens for small and medium-sized flight simulator[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(1): 30-36. doi: 10.5768/JAO202344.0101005

用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头的光学设计

doi: 10.5768/JAO202344.0101005
基金项目: 2019年度河北省技术创新引导计划项目科技冬奥专项(19975707D)
详细信息
    作者简介:

    刘宵婵(1981—),女,硕士,高级工程师,主要从事成像光学方面的研究。E-mail:liuxiaochan2007@163.com

  • 中图分类号: TN202;O439

Optical design of spherical zone projection lens for small and medium-sized flight simulator

  • 摘要: 针对现有沉浸式飞行模拟器进一步小型化和低成本化的需求,设计了一款应用于中小型飞行模拟器的球带幕投影镜头。论文确定了投影方案中各部件(球带幕、投影机、投影物镜)的关键参数,设计的球带幕投影镜头具有172°的视场角和6∶1的反远比,将一台装有该镜头的投影机置于银幕上沿就可以将画面投满整个球带幕。文中给出了大视场、大反远比光学系统的构造方法,对大视场非相似成像系统中的畸变、场曲和相对照度进行了分析和讨论,并给出了改善照度均匀性的有效途径。该镜头以8片透镜的低成本结构满足了4 k分辨率的高质量投影需求,在奈奎斯特频率185 lp/mm处全部视场的MTF值均达到了0.4以上,且具有良好的工艺性。
  • 图  1  竖直方向投影光路图

    Fig.  1  Optical path of projection in vertical direction

    图  2  水平方向投影光路图

    Fig.  2  Optical path of projection in horizontal direction

    图  3  投影系统效果图

    Fig.  3  Effect diagram of projection system

    图  4  芯片成像区域

    Fig.  4  Diagram of chip imaging area

    图  5  最大视场入射主光线与第一面法线的夹角

    Fig.  5  Angle between main incident light from maximum field of view and the first surface normal line

    图  6  匹兹伐面随物面曲率的变化图

    Fig.  6  Change diagram of Petzval surface with curvature of surface

    图  7  初始光学结构

    Fig.  7  Diagram of initial optical structure

    图  8  最终光学结构

    Fig.  8  Diagram of final optical structure

    图  9  点列图

    Fig.  9  Spot diagram

    图  10  横向色差

    Fig.  10  Curves of lateral chromatic aberration

    图  11  场曲和畸变

    Fig.  11  Curves of curvature and distortion

    图  12  相对照度

    Fig.  12  Curves of relative illumination

    图  13  光学传递函数

    Fig.  13  Curves of MTF

    表  1  系统参数

    Table  1  Parameters of system

    参数
    水平视场角/(°)180
    竖直视场角/(°)85
    球幕半经/m2
    亮度/fl≥6.0
    分辨率/arcmin/pixel≤4.5
    下载: 导出CSV

    表  2  镜头参数

    Table  2  Parameters of lens

    参数
    波长/nm430−680
    半像高/mm5.2
    焦距/mm4.03
    全视场角/(°)86×2
    F#2.2
    各视场MTF值(@185 lp/mm)≥0.4
    倍率色差/pixel≤1/2
    镜片口径/mm≤80
    后工作距/mm>25
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-25
  • 修回日期:  2022-05-30
  • 网络出版日期:  2022-09-16
  • 刊出日期:  2023-01-17

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