5倍变焦距光学系统小型化设计

为了完成飞行器导引头目标识别与探测任务,以短焦距、大视场进行搜索并确认目标,以长焦距、小视场进行高精度目标识别。通过选择正组补偿的机械补偿法,采用3种普通光学材料,在长焦距位置,将前固定组、变倍组的组合设计为远摄型,使得系统结构紧凑,满足导引头小型化的要求。利用CODE V光学设计软件,优化设计了焦距为30~150 mm,视场角为12.90°×10.25°~2.59°×2.07°,筒长仅为174 mm的变焦距光学系统,得到成像质量优良的设计结果。各焦距、全视场平均传递函数值在50 lp/mm时为0.695,测试结果为0.562,满足系统的性能要求。     

宽谱段大口径透射式摄影镜头设计

 设计了一种宽谱段大口径透射式摄影镜头,主要光学参数：焦距f′=200mm,口径D=160mm,视场角2ω=18°,光谱范围400μm～950μm。通过增加透镜个数,分裂厚透镜,选择具有相似色散特性的玻璃等方法将双高斯物镜复杂化,并且通过减小透镜通光口径消除部分边缘光线来改善像质。最终设计出的光学系统在空间频率30lp/mm时MTF 大于0.55,且各种像差都得到了很好地校正,像质均匀,满足宽谱段大口径摄影镜头的要求。     

基于组合Wollaston棱镜成像光谱仪的视场扩大原理分析

论述了视场扩大型成像光谱仪的核心部件——组合Wollaston棱镜的结构和分光机理;应用波法线追迹法分析了光在任意方位入射面内,以任意角入射时组合Wollaston棱镜中的波矢传播规律;推导出了光在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了传播过程中e光和o光之间光程差的理论表达式;采用计算机模拟,给出了光程差随入射角和入射面方位角的变化曲线;在此基础上对组合Wollaston棱镜扩大光谱仪视场的原理进行了深入分析和讨论.上述研究对偏振干涉成像光谱技术的理论研究与技术创新,对自行设计的稳态大视场偏振干涉成像光谱 关键词： Wollaston棱镜 偏振干涉成像光谱仪 波法线追迹法 视场扩大原理     

车载光电系统电视摄像机光学系统设计及杂散光分析

设计了一款双视场电视摄像机,小视场用于对目标的跟踪,大视场用于捕获和观察目标,两视场光学系统的传递函数MTF在50 lp/mm频率处均大于0.6,点列斑直径均小于像元尺寸5.5 μm,畸变均小于0.1%。两视场共用一个面阵CCD成像器件,通过分光棱镜分光。由于在该光学系统中分光棱镜表面反射会产生杂散光,形成鬼像。因此,利用LightTools软件对系统进行了杂散光的仿真分析。分析结果表明:大视场的半视场角在5.7°～7.6°之间和小视场的半视场角在2.6°～3.5°之间的入射光线被分光棱镜下表面反射后,以及小视场的半视场角在-2.7°～-3.5°之间的入射光线被分光棱镜后表面反射后, 变成杂散光,聚焦到像面, 形成鬼像,采用在分光棱镜后方设置消杂光光栏的方法来抑制杂散光。验证结果表明,仿真分析准确,提出的消杂光措施有效。     

彩电分光棱镜的胶合

彩色电视摄象镜头的分光棱镜组简称分光棱镜或分色棱镜。它由四块棱镜和一块平面玻璃板胶合而成,其胶合有特殊性。在具体介绍胶合工艺以前,先来谈谈分光棱镜的结构和分光特性。分光棱镜的结构原理和分色顺序如图1所示。图中的d面为第一分色面,f面为第二分色面。d面法线与光轴的夹角为15°,f面法线与光轴的夹角为18°。第一棱镜的入射面α垂直于物镜的光轴。b面和c面、d面和e面之间都要求有5～10微米的空气间隙。入射光线进入棱镜后在d面上分     

用于图像拼接的电视摄像光学系统

采用图像拼接的方法获得了大视场、高角分辨率的电视摄像。用单心球透镜将无穷远目标成一以球透镜球心为圆心的球面像,用围绕球透镜的中继物镜阵列中的每一个中继物镜,按各自对应的球面上的一部分,成像在面阵CCD像面上,最后经电视图像处理技术将这些图像合拼成一幅图像。本文还给出了一个中继物镜阵列最多可由20×20个中继物镜组成的设计结果,焦距为457.9 mm,视场为 120°×104.8°,像素达到85亿、角分辨率为8"。用3个这样的系统,还可以实现360°全景式高分辨率摄像。这是一个在军事侦查、机场安全监视、空中和地面预警、航天摄影以及体育报道等方面具有广泛应用前景的新型电视摄像技术。     

偏振干涉成像光谱仪中格兰-泰勒棱镜全视场角透过率的分析与计算

论述了自行设计研制的偏振干涉成像光谱仪的工作原理,分析了其核心部件格兰-泰勒棱镜的分光机理;运用光线追迹方法,推导出了格兰-泰勒棱镜全视场角透过率计算公式;通过计算机模拟分析了入射面、入射角和空气隙厚度对该棱镜透过率的影响,并利用方解石Sellmeier色散方程,给出了该棱镜在仪器系统要求的光谱范围内透过率与波长的关系曲线;实验测试结果与理论计算公式相符,验证了理论公式的正确性.     

动态目标模拟器用视景仿真镜头光学设计

研究一种基于液晶光阀的动态光学目标模拟器用视景仿真镜头,给出了视景仿真镜头的设计实例。动态光学目标模拟器由内置液晶显示系统、视景仿真镜头、外置投影仪、计算机、电缆、调整机构组成。测试设备将命令发送到计算机,计算机根据接收的指令生成模拟地形图并控制液晶光阀将图像显示出来,液晶光阀位于视景仿真镜头的焦平面位置,视景仿真镜头对液晶光阀成像后形成平行光出射,可在有限距离上产生无限远效果模拟观测结果,光学敏感器接受模拟器的出射光线并成像完成模拟试验,视景仿真镜头采用二次成像的反远结构,同时为保证与液晶光阀出射光相互匹配,采用了远心光路的结构形式。视景仿真镜头的焦距f=-22.447 1 mm,视场角是对角线视场为45,有效视场为301.5301.5;全视场畸边＜1％,在Nyquist频率42.5 lp/mm处MTF＞0.45,系统长度325 mm;视景仿真镜头与敏感器镜头配合后在敏感器像面上的照度均匀性不小于95.4％。最后给出了视景仿真镜头的测试结果。     

单轴晶体的光程差和Lyot型滤光器的视场

 建立了以光线入射方向和晶体光轴方向为基准的入射坐标系，利用波法线反曲面方程和电磁场在晶体折射界面处切向分量连续性的边界条件，得到了晶体中波法线方向、射线方向、波法线折射率和射线折射率的表达式。从非常光的射线方向和射线折射率出发，得到了在任意的晶体光轴方向和入射角条件下，光通过单轴晶体后寻常光、非常光的光程差表达式。对Lyot型滤光单元的透射率和视场进行了计算分析后发现，滤光单元的透射率随光线入射角的变化呈现一定的周期性，视场随光轴倾角的增大而减小。得出了透射率和视场随光轴倾角(光轴与晶体表面的夹角)和光线入射角(光线在晶体表面的入射角)的变化规律。讨论了通过改变晶体倾角实现滤光器调谐和补偿晶体厚度加工误差等技术问题。     

800万像素手机镜头的设计

 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25 mm,后工作距离为0.5 mm。采用APTINA公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3 264×2 448,最小像素为1.4 μm。设计结果显示：各视场的均方根差（RMS）半径小于1.4 μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2 %,TV畸变小于0.3 %。     

基于液体透镜的仿生视觉光学成像系统

随着机器视觉技术在先进制造系统、机器人系统、智能监控、航天军工等领域的广泛应用,仿生视觉系统的小型化、灵巧化成为研究的重要方向之一。针对传统机器视觉系统变焦结构复杂、易磨损、寿命低等缺点,在分析液体透镜原理和成像特点的基础上,设计并搭建了一种基于液体透镜的仿人眼光学系统,系统的主要技术指标为:焦距范围18.5 mm~22.5 mm,镜头变倍比为1.22,视场角为38°×24°。设计结果符合各项指标,像质在不同焦距处均满足使用要求,可实现实时对焦。整个光学系统尺寸为36 mm×55 mm×30 mm,结构紧凑,实用性强。     

紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，设计了一个30×连续变焦光学系统。介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路，不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况，还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变。实验结果表明:该系统工作波段3.7 μm~4.8 μm，可以实现18 mm~540 mm连续变焦，全焦距范围内的离焦量都在焦深以内，长焦段最大畸变接近于0，短焦段最大畸变小于3%。该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点，可用于红外光电探测和跟踪系统。     

基于RGBW光源的舞台灯变焦透镜设计

针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点,在全反射式透镜结构的基础上,基于变焦透镜组原理,设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片,并且使用SolidWorks软件,依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测,此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后,上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外,设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%,可在0 mm~15 mm的调焦范围内,光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。     

LCoS背投光学引擎中变焦投影物镜设计

设计出变焦投影物镜，能满足相同光学引擎、相同屏幕位置下不同屏幕尺寸的需要。考虑到所设计的系统为大相对孔径、中等视场和小变焦比，从变焦理论出发，采用正组补偿的机械补偿法，对变倍组进行合理的倍率选段，求出了高斯解；然后分组元选用合理的初始结构，利用ZEMAX光学设计软件进行优化设计，解决了变焦系统畸变难以控制的问题，并使用调制传递函数对整个系统进行了综合评价。设计结果表明：该变焦投影物镜系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求，能应用于101.6～177.8cm的大屏幕电视。     

可变焦距机器视觉镜头光学系统设计

在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数,采用机械补偿形式,利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。该系统工作距离可以在290 mm～340 mm范围内变化,实现了焦距从10 mm～100 mm的10倍多焦点变焦。设计结果表明:该变焦物镜最大畸变小于1%,最大兼容0.84 cm(1/3英寸)CCD图像传感器。用调制传递函数对系统的成像性能进行评估,该系统在空间频率100 lp/mm处调制传递函数大于0.3,满足成像要求。     

2 × Zoom Ratio Telecentric Projector Lens Design for 1080 P High Definition Television with Minimum 8000 K Color Temperature

In today's digital age, digital projectors and their application are gaining in significance, especially in the home theater area where the projected area is more than hundred inches. More attention has to be paid to the design of these than of ordinary data projectors due to the enhancement of both definition and contrast for home theater projectors. This complicates the optical design of the projector, especially in 1080 P flat plane panel resolution requirements with strong offset of 130%, whose semi-image height (18.6 mm) is very close to that of 35 mm film (20 to 21 mm). In this paper the lens design samples focus on the application of a projector with a 1080 P digital micromirror device (DMD) system with 10.68 μm per pitch. Such lenses have the telecentric design on the image side because of the total internal reflection (TIR) prism. The complicated design is the reason for this: firstly, there must be a very long back focal length due to the huge TIR prism and zoom mechanical system; secondly, there is an extremely relative luminance requirement (70% minimum) at semi-image height (18.6 mm); thirdly, there are difficulties in the elimination of lateral aberration due to the limited choice of glass and, fourthly, there is a 2 × zoom ratio with modulation transfer function requirement of 40% at 501p/mm at a semi-image height of 18.6 mm minimum and, most important, limited total overall length. The lens design with 2 × zoom ratio for 1080 P resolution was presented with great success; the optimal calculation of lateral chromatic aberration via genetic algorithm (GA) was introduced in this research and then a local minimum of lateral color aberration was identified.     

30 mm~300 mm轻型变焦物镜光学系统设计

设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统,焦距为30 mm ~ 300 mm, 视场角为1.1°~ 11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻质量,经过对变焦理论进行分析并结合实际情况,采用正组补偿,运用Zemax软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计,优化过程中加入非球面,达到简化结构,提高像质的作用; 在不影响像面照度的情况下,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小,同时对系统的部分透镜材料进行替换,平衡了高像质与轻质量间的矛盾,最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g,且系统像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用Matlab软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅。     

多动型变焦距物镜设计

变焦距光学系统在校正像差的同时还必须满足像面稳定的要求,补偿或消除由于光学系统中各组元的运动所造成的像相对接收器的偏移。利用动态光学稳像原理,推导变焦距光学系统的稳像方程,建立变焦距光学系统的数学模型,设计光学系统的凸轮曲线。给出了变焦距物镜的动态分析过程,利用光学设计软件CODE V最终得到了一个变倍倍率为8.15×,焦距范围为27 mm~220 mm的变焦距物镜,光学系统F#数为固定值4.2,视场为4.12°~33.56°。给出了凸轮曲线的计算方法及CODE V成像质量分析结果和MTF等。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。