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。     

大数值孔径、高次非球面透镜的加工与检验

通过一空间相机光学系统中某透镜的高次非球面表面加工过程,提出了一种基于小磨头数控光学表面成型技术(CCOS,Computercontrolopticalsurfacing)和非球面轮廓检验、零位补偿检验技术的中等口径高次非球面光学表面的加工、检测方法,并且给出了补偿器实际光学设计结果。文中采用这种方法加工的高次非球面表面,最终精度优于1λP V(λ=632.8nm),满足了设计要求。对这种技术的适用范围进行了简明的讨论。     

轴对称非球面透镜光轴共轴度的测量研究

介绍了一种轴对称非球面透镜的光轴共轴度的测量方法。激光管发出的光束经束腰变换透镜入射到被测透镜的非球面表面,由CCD摄像头接收非球面的反射激光光斑,CCD的光敏面位于反射激光光束的束腰位置;调整被测透镜位置,直到激光束腰中心位置不随被测非球面透镜的旋转而变化,这说明被测透镜的非球面对称轴与机械旋转轴重合;再利用球面偏心测量原理检测被测透镜球面一面的偏心量,即可以求得被测非球面透镜的光轴共轴度。该测量方法的误差小于20″。该方法适用于判定非球面透镜和非球面反射镜是否合格,以及调整非球面透镜的制造工艺。     

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。     

一款超薄800万像素手机镜头的设计

为了满足市场对超薄手机镜头的要求,运用光学软件CODEV,结合非球面理论,设计一款新的超薄800万像素手机镜头。该镜头由4片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃组成,其中第1片透镜是正透镜,第2片镜片是负透镜,第3片镜片是正透镜,第4片镜片是负透镜,且光阑位于第1片透镜的前面。镜头光圈值F为2.4,视场角2为65.5,焦距为3.731 5 mm,后焦距0.31 mm,镜头总长度为4.6 mm,在最高频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2% 。     

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     

相对孔径为1∶1镜头的光学系统设计

介绍一种相对孔径为1:1的光谱摄像镜头。利用非球面光学表面将复杂化的Petzval型结构形式改进为3片结构,其主要光学参数f′=120mm，F=1，τ≥90%，系统MTF=0.85时的成像质量所对应的空间频率大于20lp/mm。结合非球面加工工程化研究需要对该镜头的结构进行优化，给出了多种像差曲线及MTF数据，并对未来可进行的进一步改进进行了探讨。     

声光可调谐滤波器成像光谱仪非球面光学系统设计

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的工作原理,设计了一套工作在440～780nm的光谱成像光学系统。该光学系统通过引入一面偶次非球面提高了系统的成像质量,简化了镜头的结构,提高了光学系统的透射率。前置光学系统采用由一组双胶合透镜构成的像方远心光路。后置成像光学系统由一组三胶合透镜构成,其中包含一面非球面,根据非球面变形系数与初级像差间的贡献关系,完成了非球面及其位置的优化和对AOTF的+1级衍射光成像。光学系统在32lp/mm的空间频率下的调制传递函数(MTF)大于0.6,像质优良,加工装调公差适中。     

光学非球面透镜在一些光电仪器中的应用

使用非球面零件能大大简化光电仪器的系统，减小仪器的尺寸和重量，因而它得到越来越广泛的应用，介绍了光学非球面透镜在光盘机等光电仪器中的应用。说明了这些仪器中使用非球面透镜的原因，对透镜像质的要求，以及制造非球面透镜的材料。     

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.     

非球面手机屏幕放大镜的设计

为方便老年人、视力障碍者等特殊人群看清手机上的文字及图像,采用ZEMAX光学设计软件,从高折射率材料,镜片面型和类型的选择上,以及从使用双胶合镜或非球面等方面设计了几款手机屏幕放大镜.通过分析手机屏幕放大镜特点,发现用非球面镜片不仅可以改善屏幕周边的像质并可减小镜片厚度.最后,还设计了几种放大镜与手机的契合方式,以克服现有手机放大镜片的不足.     

高变倍比数码变焦镜头设计

为提高变焦距系统的工作性能,使其在大视场时仍具有良好的像质,且系统结构简单,易于机械设计、加工及装调,在设计中引入了传统球面光学设计与非球面相结合的设计思想。选择4个焦距位置进行设计计算,用光学设计软件ZEMAX上机调试,设计了焦距为6.9mm～91.6mm,视场5°～60°的变焦系统,整个系统由4组12片透镜组成,其中包括3个非球面,系统具有变倍比高、视场大等特点。设计结果表明：在设计中采用非球面可使系统结构紧凑,系统成像质量得到提高。     

一种薄非球面透镜的加工与检测

介绍了外径为 φ14 8mm、厚度为 5mm的月牙形非球面透镜加工的一些工艺难点及解决方法 ,并给出了检验方案。对加工过程中出现的变形原因及克服方法进行了探讨 ,并给出了透镜最终的检测结果。     

用于光纤传像束的大视场低畸变物镜设计

在大截面传像束前置光学系统设计中,采用负-正型式的像方远心光路结构,在像差校正过程中引入偶次非球面和弯月形厚透镜,可较好地解决镜头轴外像差校正与像面照度均匀性问题,同时使镜头结构紧凑、小型化。通过理论计算和优化,给出工作在660 nm,焦距f=1.22 mm,相对孔径D/f=1∶3,视场角2为60的镜头设计实例。设计结果表明:该镜头各视场在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.8,全视场畸变小于0.05%,场曲低于50m,像面照度均匀,像质优良,满足像方远心光路要求,可用于实际观察和测量。     

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。     

Geometrical optics analysis for reduction of trapezoidal image distortion in a single prism-based optical fingerprint scanner

A single prism-based optical fingerprint scanner structure is mathematically analyzed by using geometrical optics approach. Important parameters including a tilting angle of the fingerprint accepting plane, a geometrical-optic distant difference, a trapezoidal image distortion, an object compression ratio, and an orientation of a two-dimensional image sensor are formulated for the first time in terms of all three angles of the prism and the prism material. In addition, based on our mathematical model, we propose to design all three angles of the prism in such a way that the plane accepting the fingertip observed from one side of the prism is normal to the optical axis of the system. In this way, the imaging plane is perpendicular to the optical axis, eliminating the trapezoidal image distortion and leading to ease of implementation. Experimental verification using three commercially available dispersion prisms made from three different glass materials and one prism based on our design concept shows that a prism with higher refractive index provides lower trapezoidal image distortion. The experimental data generally obeys our theoretical analysis.     

头盔式单目微光夜视仪中光学系统的设计

为提高头盔式单目微光夜视仪中光学系统的成像质量，并满足夜视仪结构紧凑、质量小的指标要求，提出在微光夜视仪光学系统设计中引入高次项非球面透镜的设计方法。针对具体的头盔式微光夜视仪，根据微光物镜、目镜系统技术参数计算理论，确定该微光夜视仪光学系统的技术参数，应用光学设计软件ZEMX上机调试，并在光学系统设计中引入高次非球面透镜，使物镜系统镜片数由原来的9片减少为6片，目镜系统由原来的9片减少为7片，简化了结构，并提高了成像质量。设计结果表明：在头盔式微光夜视系统中采用非球面透镜可以提高系统成像质量，简化系统结构。     

中小口径双非球面数控抛光技术研究

针对口径Φ62 mm双凸非球面透镜,进行了数控研磨和抛光技术研究.提出了规范性的加工工艺流程,实现了中小口径双非球面元件的高效、快速抛光.根据计算机控制光学表面成型技术,采用全口径抛光和小抛头修抛的两步抛光法,在抛光中对其面形误差进行多次反馈补偿,使被加工零件表面的面形精度逐步收敛.最终两面的面形精度均小于0.5 μm,中心偏差小于0.01 mm,满足了光学系统中对非球面元件的精度要求,并且在保证有较高面形精度和较好表面光洁度的同时,解决了双非球面中心偏差和中心厚度难以控制的加工技术难题.     

一种高效率小口径非球面数控抛光方法

自主设计研制的非球面数控抛光机采用气囊式抛光工具,可抛光100mm以下的非球面光学零件,针对口径35mm凹非球面透镜(顶点曲率半径R=-108.14mm的双曲面),研究了非球面的抛光工艺,并确定了相关工艺参数,抛光时间大约为20min,第二次次抛光后元件面形精度达到1.08μm,满足了该零件的使用要求。相对于现有设备美国Precitich公司的Microfinish 300型CNC非球面抛光机,该抛光设备实现了中等精度要求的小口径非球面元件的高效数控抛光。目前该抛光机已经成功地应用于某光学系统非球面零件的批量生产中。