用粒子群算法进行单个非球面透镜的球差校正

为设计出符合球差要求的单个非球面透镜,把粒子群算法应用到单个非球面透镜的球差校正中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计关于非球面高次多项式的顶点曲率半径,高次多项式各项系数,透镜面之间的距离和玻璃折射率等光学系统结构参数的适应度函数,用这个函数作为评价函数,实现对球差的自动校正.给出用粒子群算法进行单个非球面透镜设计的实例,结果证明:粒子群算法用于非球面透镜的球差校正简单有效,能同时校正不同入射高处的球差,且容易发现一系列好的设计结果.从实际光学设计角度呈现使用这种方法进行单个非球面透镜的自动设计分析.     

鱼眼镜头光学系统的非球面优化设计

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论,通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献,将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象,结合波像差随非球面系数的变化趋势,确定应用非球面的光学面;应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化,其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm,其评价函数值下降1个数量级,证明该方法能明显提高镜头的成像质量,对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。     

一种凸非球面镜补偿检验的新方法

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。     

Particle swarm optimization applied to automatic lens design

This paper describes a novel application of Particle Swarm Optimization (PSO) technique to lens design. A mathematical model is constructed, and merit functions in an optical system are employed as fitness functions, which combined radiuses of curvature, thicknesses among lens surfaces and refractive indices regarding an optical system. By using this function, the aberration correction is carried out. A design example using PSO is given. Results show that PSO as optical design tools is practical and powerful, and this method is no longer dependent on the lens initial structure and can arbitrarily create search ranges of structural parameters of a lens system, which is an important step towards automatic design with artificial intelligence.     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

三视场红外搜索光学系统的设计

设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统,其中大中视场利用透镜组切换变倍,小视场和大视场利用反射镜切换变倍。设计中采用二次成像的方式,3个视场共用二次成像透镜组,保证100％冷屏效率,减小第1片透镜的过口径。同时,采用非球面技术校正系统的球差和彗差,通过光学设计软件CODE V仿真,得出最大的点列斑为11 m左右,并且MTF接近衍射极限,成像质量完全满足使用要求。最后,该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体积小的特点。     

Designing a plano-convex aspheric lens for fiber optics collimator

A plano-convex aspheric lens is designed to collimate the emitted light of the fiber optics. In this paper even orders of general aspheres are used to describe the aspheric surfaces sag. To determine the aspheric coefficient, the even asphere polynomial are fitted on the computed sag data. The surface sag data is determined using genetic algorithm method. The surface sag was analyzed by the commercial optical software package ZEMAX. For typical fiber optics, the numerical aperture (NA) of 0.22 was assumed. With this specification, the expected output spot diagram of 20 mm and the maximum aperture of 25.4 mm have been obtained. A comparison between here presented lens and the similar type of conventional lens has been carried out; the proposed aspheric lens corrected the spherical aberration, which led to increase in the collimated distance.     

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7μm、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3％，像质优良     

标准球面透镜的几何特性与误差分析

标准球面透镜是斐索型干涉仪的核心器件，综述标准球面透镜的几何特性和误差。分析标准球面透镜在干涉照明光路和成像光路中的作用，重点介绍并实验验证了球面干涉成像的R-sinθ几何特性关系模型，给出了采用Q非球面实现非球面分裂的新型设计方法，以及2片式非球面标准球面透镜结构的实例，概述了针对小F数标准球面透镜球面干涉腔中的待测球面调整误差和移相空间非均匀性误差的研究成果，介绍了校正球面干涉腔中误差的波面差分算法，指出在近标准球面透镜焦点位置测量球面时的回程误差影响，从物像共轭关系角度解释了近焦点位置回程误差较大的原因，比对分析了标准球面透镜的透射波前与斜率对回程误差的影响。提出了在设计标准球面透镜时需注意的几何特性关系，以及使用标准球面透镜时易产生的误差和相应的抑制方法。     

基于ybar-y图的光学结构计算方法研究

本文基于y_bar-y图, 建立了计算光学系统一阶结构的数学模型, 并利用粒子群优化算法对模型进行了求解, 可以自动优化出各种光学系统的一阶结构. 编写了一套含图形用户界面(GUI)的软件, 将光学系统的基本设计要求进行处理后导入GUI, 求解之后利用商用光学设计软件如ZEMAX等, 将一阶结构转换为实际透镜结构, 然后经过透镜优化, 就可以设计出满足要求的光学系统. 根据本文所提出的光学结构计算方法, 首先进行了1300万像素手机摄像物镜的设计, 该物镜使用了4片非球面, 各项性能指标能够满足设计要求. 然后设计出一套头盔显示光学系统的目镜, 使用了两片非球面透镜实现了90°的视场角, 其他的性能指标也都满足要求. 两类光学系统的设计实例验证了该方法是一种可靠的光学系统一阶结构获取方法.     

基于非球面基底的红外谐衍射元件设计

根据谐衍射透镜的特点以及非球面校正像差的独特性能,将谐衍射面制作在非球面基底上制成单透镜,该单透镜应用于红外系统中,能够在两个波段1．8～2．4μm和3．4～4．8μm内同时较好地校正系统的色差,有效地校正此单片镜系统的像差,在设计波段内大幅度提高了衍射效率,成像质量接近衍射极限。     

Design and analysis of miniature high-resolution omnidirectional gaze optical imaging system

A miniature high-resolution omnidirectional gaze optical imaging system comprising one optical low-pass filter and 5 lens elements with just one aspheric surface was successfully designed. The total tracking length of the system is 14.7 mm and fit on a 5MPx 2/3in CCD with 2448?×?2050 pixel of 3.45 μm for the full 360°?×?200° imaging. We introduced the difficulties in the design of ultrawide field of view system and proposed specific computations to overcome them by aberration theories, furthermore making a simulated analysis and performance evaluation using ZEMAX optical design software. The result shows that an admirable corrected field curvature along with a low F-theta distortion, and a perfect lateral and longitudinal color aberration correction were achieved; relative illumination of all field is over 68%; when the ambient temperature changes from ?40 to 70 ℃, the modulation transfer function performs in a steady range at 75 lp/mm; all of these will promote the wide-field lens application in medical, automotive, and stereo vision.     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

非球面透镜在两波长间的补偿检验

在检验光路中,采用补偿透镜来补偿口径为φ500mm的非球面透镜的使用波长(λ=1053nm)与检测波长(λ=632.8nm)之间的色差。给出补偿透镜的求解方法,得到非球面透镜的补偿检验光路,并就非球面透镜的检验精度进行分析。通过精度分析可以看出,在此种补偿检验光路下,非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm),可满足元件的精度要求。     

激光靶心冲击波观测镜折反式光学系统设计

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200~800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.     

Subjective evaluation of intraocular lenses by visual acuity measurement using adaptive optics

We present a new method for subjectively evaluating intraocular lenses (IOLs) without implantation surgery. To illustrate the method, three types of single-piece IOL (equispherical monofocal, rotational symmetric aspheric monofocal, and diffractive bifocal) were assembled into a model eye and evaluated using an ocular adaptive optics system by a single subject. To separate the spherical aberration of the crystalline lens, the subject's corneal topography and wavefront aberrations were measured and modeled. Three levels of Zernike spherical aberration were generated and superposed on the IOLs and the subject's eye. The corrected distance visual acuity was measured by psychophysical visual procedure.     

利于像差校正的共形整流罩内表面面形设计

共形光学系统中,椭球形等厚度整流罩使入射的平行光线经过整流罩后不再平行,变为发散的光线,进而使系统像差急剧增加,不利于后续像差的校正。通过对等厚度共形整流罩的内表面进行重新设计,打破了共形整流罩的等厚度条件,从而在使用较少校正光学透镜的基础上实现了系统像差的校正。通过分析不同级次非球面分别作为整流罩内表面面形时的像差校正效果,确定了将6次非球面作为共形整流罩内表面面形初始结构。通过对内表面进行优化设计,最终得到整流罩内表面面形。结果表明,该方法有效地减小了共形整流罩引入的像差。最后使用固定校正器对内表面变化后的整流罩进行了像差校正,设计结果表明,内表面的改变有效地减少了光学元件数量,消像差效果良好。     

影碟机激光头非球面物镜的设计

本文首先介绍了影碟机激光头的工作原理,然后根据激光二极管的发光特性及刻录在光盘上表示信息的坑槽的细微结构,提出了使激光头物镜满足工作需求的光学设计要求。在非球面物镜的总体设计阶段,对物镜的焦距、口径等系统性能参数进行了确定,并针对系统要求提出需校正的像差种类。在非球面物镜的光学设计阶段,以总体设计的初始结构数据为基础,利用计算机进行非球面物镜的设计和优化,得到了满足各项要求的设计结果。文中给出了所设计的非球面物镜结构参数及像差曲线,并就该塑料镜片的工艺性进行了初步讨论     

A mathematical model of Schmidt corrector plate with defocus in variable for quick F ratio and large aperture systems

To make it easier for designing Schmidt optical systems, based on wavefront aberration functions, a mathematical model of the corrector plate aspheric surfaces varies as a function of defocusing amount is established. It corrects not only the third-order spherical aberration, but also the 5th-order spherical aberration for the system. A series of Schmidt optical systems were designed as examples to evaluate the mathematical model of the aspherics. Results show that the mathematical model is precisely in fitting the needed shape of the corrector, and can be used for the systems for quick F ratio and large aperture. A mathematical model for reflective correctors shape is also established.     

新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0. 35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。