应用于水下能分辨粒径10 μm～500 μm尾流气泡的成像系统

针对尾流气泡成像存在的难点,采用片光源切片扫描与高速摄影相结合的技术手段,研制了一套水下激光成像系统。该系统采用激光片光照明,避免了尾流区气泡图像层叠;设计了3组倍率可切换镜头,实现了对大动态范围（10 m～500 m）粒径小气泡的成像;将镜头分成前后组,以平行光中继,通过片光与前镜组的同步移动,可实现尾流区一定体积内气泡图像的采样,同时还能保证扫描过程中始终成像清晰。此系统通过在海域进行试验,放置深度为5 m,气泡由目标船产生,产生气泡粒径范围10 m～2 000 m,结果表明,系统成像效果良好,满足项目技术要求。     

数码裂隙灯显微镜光学系统的设计与实现

利用光学设计软件Zemax设计了一套具有6×,10×,16×,25×与40×放大倍率的五档式数码裂隙灯显微镜光学系统.在传统体视裂隙灯显微镜光学系统结构的基础上将数码型裂隙灯显微镜划分为共用前置物镜、伽利略望远镜、摄影物镜三部分,用平行式伽利略望远镜系统结构来改变倍率.研究了共用前置物镜、伽利略望远镜及摄影物镜的光学特性与技术指标要求,选取了合适的透镜类型.在共轴时拥有良好的成像质量基础下,将光学系统过渡到非共轴情况,再进行优化.优化后除40×时衍射极限较低外,在6×,10×,16×,25×情况下系统调制传递函数曲线值在空间频率为115lp/mm处基本大于0.2,点列图显示不同倍率下的弥散斑大小均基本小于艾里斑.该光学系统具有良好的成像效果,且整体结构简单,易加工,成本低,其性能很好地满足了整机要求.     

应用于水下能分辨粒径10 μm～500 μm尾流气泡的成像系统

 针对尾流气泡成像存在的难点,采用片光源切片扫描与高速摄影相结合的技术手段,研制了一套水下激光成像系统。该系统采用激光片光照明,避免了尾流区气泡图像层叠;设计了3组倍率可切换镜头,实现了对大动态范围（10 μm～500 μm）粒径小气泡的成像;将镜头分成前后组,以平行光中继,通过片光与前镜组的同步移动,可实现尾流区一定体积内气泡图像的采样,同时还能保证扫描过程中始终成像清晰。此系统通过在海域进行试验,放置深度为5 m,气泡由目标船产生,产生气泡粒径范围10 μm～2 000 μm,结果表明,系统成像效果良好,满足项目技术要求。     

手持式眼底相机光学系统设计

提出一种新型眼底成像系统,结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜,调焦投影光路完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件,避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充分利用了网膜物镜系统的空间。利用LED光源窄带宽的优势,瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采用新的光学结构,设计了一款视场30°、工作距离30mm的眼底相机光学系统,眼光焦度补偿范围-10m-1～+5m-1,物方各视场分辨率为45line/mm,畸变小于5%。     

可见光与红外一体化光学系统设计EI北大核心CSCD

空间遥感相机的空间分辨率、时间分辨率以及光谱分辨率不断提高,相机的观测谱段也得到了拓展,实现了多谱段观测.针对多谱段观测需求,通过计算以及光学设计软件设计研究了可见光与红外一体化光学系统.可见光部分系统焦距为6000mm,F数为11.8,波段为400~900nm.红外部分系统焦距为1280mm,F数为2.5,波段为3000~5000nm,两个系统视场均为1.4°×0.6°.可见光波段系统与红外波段系统共用前四片反射镜,五镜为二向分色镜,将可见光反射至五镜上方的时间延迟积分CCD中,红外波段透过五镜至后方校正镜组.整个系统无色差,结构较为紧凑,可见光与红外部分成像质量均达到要求.     

采用树脂透镜的掌纹图像采集光学系统设计

为了获得高分辨率、高对比度和低畸变的掌纹图像,同时实现系统的轻量化和高性价比,本文基于全反射原理,采用树脂材料设计了一款由6片镜构成双远心光路的掌纹采集光学系统。树脂材料的选用减轻了光学系统的总重量;基于光的全反射原理的系统设计增强了掌纹图像的对比度;选择双远心光学结构,便于对倾斜物面所产生的梯形畸变进行矫正。对所设计光学系统的成像质量分析表明,该系统所有视场的光学传递函数（MTF）在Nyquist频率228 lp/mm处均达0.55以上,畸变〈0.14%。设计的光学系统可以采集120 mm×160 mm的手掌区域,实际手掌面上的分辨率达到500dpi,采集的掌纹图像分辨率达到8.0×106 pixel,满足了实际采集的要求。     

共口径双通道红外扫描成像光学系统

对双波段红外扫描成像光学系统进行了研究,结合三次成像技术和100%冷光栏效率技术,设计了一个共口径双通道红外扫描成像光学系统。该系统包括前端共用的双反射系统、分束镜、准直镜组、扫描镜和成像镜组。光波经过双反射系统在主镜之后被分束镜分成中波红外通道（3 m～5 m）和长波红外通道（10 m～12 m）,经准直镜组及成像镜组会聚探测器上,实现中波红外系统与长波红外系统共口径同步成像。设计结果表明,长波红外系统传递函数在18 lp/mm处达到0.4以上,中波红外系统传递函数在18 lp/mm处达到0.78以上,满足实际应用的要求。     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统，大相对孔径意味着成像亮度更加优秀，但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长，采用反射结构为基础，搭配前后两组校正镜构成光学系统，设计出大相对孔径，总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段，焦距1 000 mm，F数2.1，摄远比0.52，光学总长远小于焦距，遮拦比45%，全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3，像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜，光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成，结构紧凑，成像质量好。对摄远物镜进行公差分析，得出该设计公差较宽松。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

半导体激光激发荧光粉转换白光照明系统设计

单管蓝光半导体激光器功率相对较低,为了获得高功率激光,利用多单管光纤耦合技术实现10 W蓝光激光输出,输出的激光激发荧光粉片合成的白光光源作为汽车远光灯光源。根据汽车照明法规要求设计了汽车远光灯照明系统并详述了抛物面反光罩、双凹透镜和荧光粉片的光学结构及对反光罩曲线参数、双凹透镜和荧光粉片的放置位置对光源色温均匀性及照度的影响。模拟设计了顶端19 mm×31.6 mm椭圆形开孔、底部直径5 mm圆形开孔、高60 mm的椭圆抛物面反光罩,荧光粉片置于距反光罩底部15 mm处时,在距光源25 m处的接收面上得到了5 m×12 m的椭圆光斑,白光光源的光通量为1 025 lm,中心色温为5 880 K,中心色坐标为(x=0.322 6,y=0.369 2),该汽车远光灯照明系统满足汽车照明法规要求。     

i线投影光刻曝光系统的光学设计

叙述具有同轴对准特性的光学投影物镜双远心结构和均匀照明光学系统原理。为了满足ｉ线光刻所需的光学传递函数要求，讨论了光刻分辨率和数值孔径的关系。设计了一种新的双远心投影物镜，其数值孔径ＮＡ＝０．４２，放大倍率Ｍ＝－１／５，像场尺寸１５ｍｍ×１５ｍｍ（直径２１·２ｍｍ），共轭距Ｌ＝６０２ｍｍ。用光学设计程序ＺＥＭＡＸ－ＸＥ计算此ｉ线物镜的像质。设计结果说明，整个视场内波差＜λ／４，ＭＴＦ＞０．５５，当空间频率为７１５ｐａｉｒｌｉｎｅｓ／ｍｍ，使用波长为３６５士３ｎｍ时。可以实现０．７μｍ光刻分辨率；照明均匀器，由８１个小方型透镜组成一方列阵。用本文模拟计算软件ＯＰＥＮＧ计算被照像平面上的光能分布，说明实际系统的照明不均匀性为土２％。     

基于量子级联激光器照明的高对比度红外内窥成像

对单丝直径为20μm,12×9阵列方形面阵的Ge-As-Te-Se组分光纤束进行了测试,并开展红外成像研究。利用5~11μm连续可调谐红外量子级联激光器作为光源,对光纤束损耗进行检测,传输损耗平均为1 dB/cm。设计并加工了基于像方远心成像的紧凑型物镜,总长13.6 mm,直径6 mm,最终实现了2 mm×2 mm视场内100μm分辨率传像。分别在量子级联激光器和非相干黑体光源的照明下,进行了环境温度对成像对比度影响的研究,结果表明,在环境温度较高(>40℃)的条件下,基于量子级联激光器照明可实现高对比度内窥成像。本文对于深入开展红外生物效应研究具有指导意义和实用价值。     

大视场高分辨率显微工业电视镜头设计

随着CMOS、CCD探测器的广泛应用及其分辨率的不断提高，人们对电视镜头的分辨率提出了更高的要求。将显微工业电视镜头成像原理与传统显微镜进行了比较，并利用光学设计软件ZEMAX进行光学效果的模拟，给出了数值孔径为0．08，光学放大倍数为1，焦距为38mm，视场直径为8mm，全视场角为10°，分辨率为200万像素的光学系统设计结果。所设计的显微工业电视镜头可用于工业生产检测。     

大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计

分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计特点.基于反摄远结构引入一个高次非球面设计了相对孔径为1/1.4,水下全视场66°,焦距11.85 mm,光谱响应范围0.48～0.60 μm,采用平面水密壳窗的水下专用摄影物镜.全视场MTF在空间频率42 lp/mm时高于0.4.与相同技术要求下全部采用球面透镜的设计进行比较,表明该摄影物镜结构更简单,成像质量也更优异,能够满足深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求.     

可见光/长波红外共聚焦窗口望远物镜设计

双波段/多波段融合成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统尤其是可见光/长波红外(VIS/LWIR)成像系统成为研究的重要方向之一。在分析反射式、折反式和折射式双波段成像系统的结构形式以及常用的折射共窗口系统的组成和特点的基础上,针对双波段系统在应用中的欠缺,设计了一款可用于手持式设备的VIS/LWIR共窗口折射望远系统,系统的主要技术指标为:0.6～0.8μm(VIS),8～12μm(LWIR),f′VIS=47 mm,f′IR=58mm,2ω=9.8°,FVIS=2,FIR=1.3。设计结果符合各项指标,像质在两个波段均满足使用要求。整个光学系统尺寸为51mm×93mm×136mm,结构紧凑,实用性强。