基于自由曲面的高倍率广角显微目镜设计

随着显微镜性能的不断提升,要求显微目镜具有更大的视场、放大倍率以及更好的成像质量.显微目镜由于孔径光阑外置,且焦距较短,其设计难点在于如何校正大视场带来的畸变与其他轴外像差,并在此基础上获得符合人眼观察要求的出瞳距离.本文分析了目镜光学系统存在的主要像差,特别是带有畸变的光学系统对成像所产生的影响.将自由曲面应用在显微目镜光学系统畸变校正中,设计出一款视场角达到60°(即±30°),放大倍率达到25×且全视场畸变小于5%的高倍率广角显微目镜.采用五片三组元式结构,其中自由曲面镜片采用塑料材料且关于XOZ与YOZ平面对称,实现了结构简单、易于加工且成本较低的高性能显微目镜设计.     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

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%。     

浸没式光刻照明系统中非球面变焦系统设计

设计了一种非球面变焦光学系统,解决了NA 1.35浸没式光刻照明技术中内外相干因子调节、能量利用率不足、模块使用寿命短的问题,所设计的非球面变焦系统包括三个镜组、光阑面和像面.系统入瞳直径42mm,视场角1.89°,实现焦距范围700mm~1 830mm,变倍比2.61,共使用七片透镜,并在三个凹面表面采用了非球面设计.设计结果表明,该系统成像质量优良,点列图均方根直径均小于40μm,畸变均小于0.5%,设计结果满足浸没式光刻照明系统的使用要求.     

滤光片式双视场成像光谱仪光学系统设计

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点,设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收,像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像,通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换,在视场切换过程中,F数为5.6且恒定不变。设计结果表明:在各谱段下系统宽视场畸变3.5%,窄视场畸变0.2%,探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5,系统的最小后截距大于35 mm,用以安装滤光片轮,满足装配要求。     

小视场长焦距镜头畸变高精度测量研究

利用由精密测角仪、显微摄像测量系统、微型双光栅平面干涉仪、平行光管以及星点组成畸变测量系统,对小视场长焦距的镜头进行畸变测量。在计算镜头畸变中,利用中心视场区域内畸变设计无穷小,采用三次多项式拟和的方法,计算镜头理论焦距;在边视场采用像高高次方和视场角正弦高次方加权平均的方法对测量偏差角进行修正,得到各视场的相对和绝对畸变。通过实际测量和计算验证,镜头全视场畸变测量精度可达到0.02%。     

切换变倍光学系统设计

切换变倍光学系统能实现系统两档/多档变倍,根据切换变倍光学系统特性,完成切换组元焦距与系统组元间隔、焦距、F数和系统变倍比之间关系理论研究,在窄视场子系统中旋转切入"负-正"搭配透镜组实现宽视场(短焦)子系统,同时要求该窄视场时,视场变换透镜组元不挡光。通过设计中波切换变倍光学系统实例,验证了所推导出的公式的可靠性。切换变倍系统能实现系统两档/三档变倍,且视场间切换时间快,窄视场子系统系统片数少、系统作用距离远,符合系统搜索跟踪一体化需求。     

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。     

ZFA等角距曲线的优化设计

变焦距系统镜组的轴向位移与倍率关系通常不是线性的,示值间距标记也是非均匀的。在光学检测和计量仪器的应用中,操作者很难准确地选择刻度标志之外的焦距值,尤其是在高倍段刻度密集的和非线性显著的地方更是如此。在有电机驱动的系统中,电机匀速转动带来的是倍率的非线性变化,很难在短时间内稳定到预定倍率的目标值。对含有像差因子的变焦函数进行变换后所编制的计算程序可以十分快捷地得到预定的设计结果。一个实际的光学系统往往偏离理想情况,为了达到最佳结果,可把像差因子补充到变焦距函数中,可借助变焦函数方程进行等角距变倍曲线的研究和设计,研究成果已应用到了产品的设计中,并取得了很好的效果。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

潜望镜连续变焦光学系统设计

基于潜望镜的基本原理, 设计了一种焦距252 mm~504 mm的连续变焦潜望镜光学系统, 该系统将传统的采用翻转变倍方体的跃式变倍方式改为沿轴向移动变倍镜组和补偿镜组实现连续变焦的方式。系统经仿真验证及像质分析证明, 各项性能指标均满足设计要求。测试结果表明, 光学系统空间分辨率小于2′。     

小口径大视场工业内窥镜光学系统设计

近年来,内窥镜广泛应用于复杂环境下小尺寸零件缺陷检测,该文设计一种用于航空发动机叶片检测的工业内窥镜光学系统。系统基本结构采用二次成像,物镜采用非对称反远距结构,将大视场光线收束进小口径腔体中,适配镜将物镜所成一次实像放大21倍,后接对角线长42 mm高速相机。系统基于Zemax设计软件进行系统优化、公差分析和像质评价,最终系统具有大视场(120°)、细孔径(3 mm)、耐高温(25℃～180℃)等特点。由于对视场、孔径和适配镜放大率有较高要求,因此合理引入非球面提高系统成像质量,入瞳直径提高至0.5 mm,系统空间截止频率在17 lp·mm^-1处,全视场调制传递函数值均大于0.28,最大畸变值小于21.2%。     

大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

基于480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统设计

设计了一种采用长波480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统.该系统利用机械补偿法变倍原理和非球面、衍射面进行像差平衡,工作波长范围为长波7.7~10.3μm,F数为2.62,变倍比达到15∶1.通过对连续变焦光学系统的传递函数、畸变、衍射元件、变焦曲线等性能的综合分析与评价,结果表明在变焦范围内下各个视场均可获得较好的光学性能,光学系统光路总长480mm、后截距为28mm、传递函数大于0.3、畸变小于5%.     

38×变倍比宽波段电视镜头光学系统设计

 针对大视场高变倍比宽波段光学系统的特点,运用换根方式机械补偿光学系统设计技术和h hp图及孔径图分析法,实现了38×变倍比,解决了大视场宽波段系统的初、高级像差难以平衡的难题,同时提出运用凸轮程序公式编程计算不齐焦段的补偿组实际位移量,对Code V的凸轮曲线设计值进行修正的方法,保证了高变倍比光学系统的齐焦性。     

用于数字光刻的非对称式投影物镜设计

针对DMD数字光刻,利用ZEMAX光学设计软件,设计出了一套适用于型号 0.7XGA DMD的10片式光刻投影物镜。该物镜采用非对称性结构,前组为改进的三分离物镜,后组为匹兹伐物镜加平像场镜,分辨率为2 m,近轴放大倍率为-0.15,像方数值孔径NA为0.158,全视场波像差小于/20 ,畸变小于0.014%,焦深为20 m,通过各项评价可知系统已经达到了衍射极限。在对该镜头进行公差分析后,利用Monte Carlo方法,模拟组装加工了100组镜头,得到90%的镜头MTF＞0.46,50%的镜头MTF＞0.51,证明了这种非对称性结构加工和校装的可能性。     

超高数值孔径Schwarzschild投影光刻物镜的光学设计

针对45nm及以下节点光刻相关技术的研究需求,确定了实验型投影光刻物镜的结构型式及设计指标。依据像差理论在非同心小遮拦的Schwarzschild反射系统中添加折射补偿镜组来进一步减小系统的中心遮拦,扩大像方数值孔径。设计了一套小中心遮拦,数值孔径为1.20的Schwarzschild折反式投影光刻物镜。设计结果表明,该投影光刻物镜工作带宽为100pm,像方视场为50μm,线中心遮拦比为13%,光学分辨力为80nm时(6240lp/mm)的系统调制传递函数大于0.45,全视场最大畸变为6.5nm,满足了45nm深紫外(DUV)浸没光刻实验平台对投影光刻物镜的需求。     

应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计

大视场生物成像分析仪能够满足对于稀有细胞和痕量病原微生物等待测样本量大,目标物稀少情况下的快速和准确检测需求,在生命科学、食品药品检测、环境安全等领域中有极其重要的作用。针对其核心部分,本文以同轴三反成像理论为基础,采用视场离轴的方式设计了离轴三反显微物镜,并进行光学仿真分析。该系统光谱范围为350～1 100nm、放大倍数β=-1,视场范围为150 mm×20 mm,数值孔径为0.1,点列图直径的均方根小于3.5μm,在空间截止频率178 lp/mm处,全视场的MTF均值大于0.35,畸变为0。实验结果表明:该成像系统视场大、分辨率高,大视场生物成像分析仪系统检出率为98%。本文设计的离轴三反显微物镜成像质量良好,可满足应用需求。     

长焦距面视场同轴三反望远物镜设计

随着Skysat-1卫星的成功发射,高分辨率视频相机是目前竞相开发的卫星有效载荷。为降低成本、适应小卫星平台,亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场成像的长焦距光学系统。研究与设计了适于面视场成像的全视场同轴三反望远物镜,解决其固有的二次遮拦和像面引出困难等问题。由近轴几何光学理论,导出消除二次遮拦的条件和系统总长与三镜中继成像倍率的关系,讨论并得到合理的三镜中继成像倍率等参数。利用出瞳附近处的平面镜,无遮拦地引出像平面,同时用平面镜组折叠光路,减小系统总长。给出了确定初始结构参数的方法与结果,优化设计得到了有效焦距、视场角、F数分别为10m、1.1°×1°、14.3的无二次遮拦光学系统,其总长约为有效焦距的1/8,成像质量接近衍射极限。     

消畸变成像折反射全景成像系统设计

 单视点折反射全景成像系统畸变较大,通过计算反射镜面型可有效地实现折反射全景成像系统消畸变成像。在反射镜入射角与反射角呈线性关系的基础上,推导适用于消畸变折反射全景成像的反射镜面型公式。为说明反射镜面型的准确性,设计了F#为3.3,视场为138°的消畸变成像折反射全景成像系统,并利用实际像平面和虚拟像平面间的坐标映射关系,实现了系统的消畸变设计。各视场MTF在奈奎斯特频率下均达到0.6, 边缘视场相对畸变小于4 %。结果表明：该面型可实现消畸变折反射全景成像,反射角光线追迹法适用于折反射全景成像系统畸变评价,为折反射全景成像系统消畸变设计提供了必要的模型和计算方法。