光学镜头基本结构计算机辅助设计

本文在ＡｕｔｏＣＡＤ平台的基础上对常用光学镜头基本结构进行参数化和模块化自动设计。根据光学系统外形尺寸可以一次性设计出结构装配图,而且可以从装配图方便地分离零件图。同时还提供了多种结构形式供设计者选择。     

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% 。     

鱼眼镜头初始结构的设计

基于主光线传输方程,研究了鱼眼镜头前光组负弯月形透镜物像空间的视场角压缩比与结构参数之间的关系,并根据视场角压缩比及镜头尺寸的设计限制,初步确定前光组的结构参数。针对前光组具有平面对称光学系统的成像特性,应用平面对称光学系统像差理论计算前光组波像差;然后利用鱼眼镜头前、后光组波像差的平衡条件,求解后光组各透镜的光焦度及光学间隔;并将其作为限制条件,应用Zemax软件设计了由三块透镜组成的简单后光组系统。以该简单系统作为初始结构进一步复杂化,得到满足更大视场和孔径要求的鱼眼镜头。研究表明,所述方法为设计鱼眼镜头初始结构提供了一种新的思路,且避免了以往设计者过于依赖经验和参考专利的问题。     

一款超薄非球面手机镜头设计

为满足市场对超薄手机镜头的需求,运用光学设计软件ZEMAX,参考传统三片式结构,设计了一款新的超薄非球面塑料手机镜头,其中第一片镜片是正透镜,第二片镜片是负透镜,第三片镜片也是负透镜,且光阑位于第一片透镜和第二片透镜之间。这3片透镜的材质分别为APL5014DO、POLYSTYR、ARTON-D4531,折射率和阿贝系数分别为1.542130,56.833340,1.590481和30.866877,1.514612,57.200025。该镜头的光圈值F为2.4,视场为58°,镜头总长为2.19mm。在295lp/mm处MTF值都大于0.2,点列图能量集中,各视场都在airy限制内。     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。     

光学微透镜阵列成像质量预测和测量

为了研究微透镜阵列成像质量的影响因素,针对慢刀伺服加工和紫外（UV）光固化工艺制备的微透镜阵列,引入微透镜阵列镜片的误差,建立基于Zemax光学软件的光学微透镜阵列成像仿真模型,分析透镜单元的高度、曲率半径、入瞳直径等误差对微透镜阵列成像质量的影响。搭建光学测试平台对评价微透镜阵列成像性能的光学参数进行检测,包括各透镜单元的焦斑大小、位置误差及其焦距值,并利用点扩散函数（PSF）曲线的半峰全宽值对光场成像结果进行成像质量评价,测量得到微透镜阵列的焦距标准误差为0.12 mm。将测量结果与仿真结果相比,可得PSF曲线的半峰全宽值误差在12%左右,证明了仿真模型的准确性。利用仿真和实验的方法建立了微透镜阵列镜片误差与其光学成像质量之间的关系,这可为基于功能实现的光学微透镜阵列的超精密加工工艺提供理论基础和指导。     

基于ZEMAX的手机摄像镜头设计

在光学工程软件ZEMAX的辅助下,配套采用像元大小为1.75μm的CMOS图像传感器,设计了一款500万像素的手机镜头,镜头视场角60°,F/#2.8,半像高2.87 mm,镜头总长为6 mm,镜头为3P1G结构,第1、3、4片镜片采用非球面塑料,第2片镜片采用球面透镜。各个视场的横向像差均小于20μm,均方根半径(RMS Radius)都在艾利斑之内,在1/2奈奎斯特频率处绝大部分视场MTF值都大于0.6,可以获得优质的成像效果。     

基于Placido盘的角膜地形图仪成像系统设计与实现

为实现基于Placido盘的角膜地形图仪中图像的有效采集,根据人眼角膜的特点以及所选用的CCD面阵参数,设计了一套对称式消色差物镜及准直照明透镜系统。利用初级像差理论及PW法计算成像镜头的初始结构,根据近轴光线追迹公式计算准直照明透镜参数,利用Zemax光学软件进行系统优化。成像镜头结构由2组4片镜片组成,有效焦距为20mm,后工作距离为19.2 mm,相对孔径为1/3,全视场角为8°,光学总长控制在20 mm以内。在镜头分辨率66lp·mm-1处,所有视场的调制传递函数值均大于0.3,全视场畸变量小于0.5%。该系统具有整体结构简单、紧凑、易加工、成本低、成像质量好等特点,其性能很好地满足了整机的要求。     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。     

银层超透镜光学传递函数的研究

银层超透镜对基于表面等离子体激元的超分辨光刻、 成像和生物传感有着重要作用.利用银层超透镜的光学传递函数详 细研究了银板的表面等离子体激元共振和成像特性, 并利用时域有限差分法计算模拟了银层超透镜的成像过程, 得到与理论推导公式相符合的结果, 证明了光学传递函数的可靠性, 为基于表面等离子体激元的传感器件、 超分辨成像以及辅助增强干涉光刻提供了快速参数优化方法.     

室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究

针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求, 设计了等齿距平面菲涅尔透镜. 相比常规透镜光接收天线, 菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点. 利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真, 分析了透镜不同设计参数对接收天线光学增益、光学效率及光斑尺寸的影响, 讨论了透镜在平行光斜入射时的会聚情况. 结果表明, 平面点聚焦菲涅尔透镜的光学效率可达92.1%, 适用于小视场、高增益接收光学系统前端.     

型芯、模具及其制造和注射成型工艺(Ⅲ)

基于我国光学塑料元件成型技术落后于技术发达国家的情况,同时考虑到塑料非球面透镜又是我国目前注射成型的难关,并可望在型芯、模具及其制造和注射成型工艺上有所突破,而塑料非球面透镜又主要采用的是模具及注射工艺,所以本刊编辑部将从１９９８年第４期开始不定期的报道国外塑料模具型芯、模具及其制造、注射成型工艺等方面的有关信息,以此能对我国从事光学塑料元件制造的工程技术人员有所帮助。不定期报道的主要内容有：塑料模具设计要点;模具涂层;流态分析;模具制造的改进;注射成型;注射成型机;成型工艺参数;熔流及工艺性;如何减少成型元件的内应力;材料的选择;注射故障的排除等等。     

基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统设计

针对实时广域高分辨率成像需求,充分利用具有对称结构的多层共心球透镜视场大且各轴外视场成像效果一致性好的特点,设计基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统.该系统基于计算成像原理,通过构建像差优化函数获得光学系统设计参数,结合球形分布的次级相机阵列进行全局性优化,提高系统性能的同时有效简化光学设计过程、降低系统设计难度.系统稳定性测试结果表明,该成像系统的MTF(modulation transmission function)值在截止频率处接近衍射极限,弥散斑均方根恒小于探测器像元尺寸,整机实景实时成像效果良好,无视觉可见畸变.该系统不仅有效解决了传统成像中广域和高分辨率成像矛盾的问题,而且为计算光学成像系统设计奠定了一定研究基础.     

型芯、模具及其制造和注射成型工艺(Ⅰ)

基于我国光学塑料元件成型技术落后于技术发达国家的情况，同时考虑到塑料非球面透镜又是我国目前注射成型的难关，并可望在型芯、模具及其制造和注射成型工艺上有所突破，而塑料非球面透镜又主要采用的是模具及注射工艺，所以本刊编辑部将从１９９８年第４期开始不定期的报道国外塑料模具型芯、模具及其制造、注射成型工艺等方面的有关信息，以此能对我国从事光学塑料元件制造的工程技术人员有所帮助。不定期报道的主要内容有：塑料模具设计要点；模具涂层；流态分析；模具制造的改进；注射成型；注射成型机；成型工艺参数；熔流及工艺性；如何减少成型元件的内应力；材料的选择；注射故障的排除等等。     

型芯、模具及其制造和注射成型工艺(Ⅱ)

基于我国光学塑料元件成型技术落后于技术发达国家的情况，同时考虑到塑料非球面透镜又是我国目前注射成型的难关，并可望在型芯、模具及其制造和注射成型工艺上有所突破，而塑料非球面透镜又主要采用的是模具及注射工艺，所以本刊编辑部将从１９９８年第４期开始不定期的报道国外塑料模具型芯、模具及其制造、注射成型工艺等方面的有关信息，以此能对我国从事光学塑料元件制造的工程技术人员有所帮助。不定期报道的主要内容有：塑料模具设计要点；模具涂层；流态分析；模具制造的改进；注射成型；注射成型机；成型工艺参数；熔流及工艺性；如何减少成型元件的内应力；材料的选择；注射故障的排除等等。     

等厚型平板菲涅尔透镜设计与研究

针对当前曲面菲涅尔透镜普遍存在的加工工艺复杂、面型精度难于控制、制作成本较高等问题,在研究非等厚型平板菲涅尔透镜设计方法的基础上,提出一种中心透镜为球面、外侧环带为倾斜面的等厚型平板菲涅尔透镜的设计方法,给出了具体的设计实例,并进行了建模和光学仿真,模拟结果表明:该菲涅尔透镜设计的光学效率达到90.7%。     

快速实现矩形准直光束的高集光效率LED透镜设计

为了实现LED矩形准直光束,提出一种快速构建高集光效率LED透镜的设计方法。基于分步法、边缘光线定理和几何光学定律,分步设计两个自由曲面轮廓线,快速获取两个自由曲面并构建透镜。结果表明:当LED距透镜内曲面尺寸与LED尺寸的比值为6时,系统的半峰全宽为2.3°×1.15°,集光效率为82.6%,可以有效地实现矩形准直光束。随着比值的增大,透镜的尺寸变大,但是半峰全宽变小,透镜集光效率变高。根据设计参数加工了透镜并对仿真结果进行了实验验证。该方法为实现LED矩形准直光束提供了一种有效途径。     

曲面和平面菲涅尔透镜的像差比较

通过一个大尺寸菲涅尔透镜的设计,比较了曲面菲涅尔透镜和平面菲涅尔透镜在光学像差方面的差异。从应用角度看,菲涅尔透镜设计属于准直系统,一般采用平面结构,但由于其成像要求的特殊性,通过运用P-W方法进行分析和比较,结果表明：曲面的设计较之于平面更具优势,并在ZEMAX中分别对2种菲涅尔透镜进行建模,验证了结果的正确性。但这不表明曲面菲涅尔透镜在像差方面一定比平面菲涅尔透镜更具优势,它还与实际应用场合有关,为此,提出了不同的结构参数设计。     

低畸变宽工作距机器视觉镜头光学设计

机器视觉镜头参数要求有别于其他镜头,为了保证测量精度,要求镜头的光学畸变很小甚至接近零,有的工作场合还要求有很宽的工作距等。设计一种机器视觉镜头,使用8枚球面镜片,采用固定后组,移动前组的调焦结构,实现了在空间频率120 lp/mm处,工作距从无穷远到超近摄0.1 m时,镜头畸变小于0.1%,MTF全视场大于0.4的性能要求。光学系统后组使用了两枚镜片,与后组只有一枚镜片的架构不同,不仅提升了光学性能,还有利于系统的平衡及稳定。整个光学系统没有非球面,也没有高折射率或高阿贝数的特殊玻璃,均为常见的冕牌玻璃和火石玻璃,降低了镜头成本,镜片加工及组装公差范围内量产优良率达90%以上。该镜头光学系统可广泛应用于机器视觉尤其是智能机器视觉行业。     

开放光路TDLAS气体检测系统光学接收组件设计

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中,由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行,从而导致系统探测灵敏度下降的问题,分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量,设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件,并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明:优化设计的光学接收组件接收角为4.9°,光学效率为78.24%,与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高,适用于实际检测过程。