基于ZEMAX的大视场投影镜头设计

针对大视场投影镜头的设计问题,利用ZEMAX光学设计软件,通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为:焦距为13.6 mm,全视场角为60°,相对孔径为1/1.6。设计结果表明:镜头的最大畸变量绝对值小于3% ,最大场曲小于0.06 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6,基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成,光学系统结构紧凑、易加工。     

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

 利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头。镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点。镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm。镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 lp/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7%,垂轴色差小于0.5个像元大小。     

结构简洁的光学变焦距手机镜头设计

通过利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款适用于手机的2倍内置式光学变焦距镜头。镜头仅由4片非球面的塑料透镜和1片BK7的红外滤光片构成,能够达到285 lp/mm的空间频率,可匹配1.75μm的COMS图像传感器,全视场RMS半径均小于艾利斑半径,全视场最大畸变小于3%,MTF值在1/2奈奎斯特频率处的大部分视场大于0.5,总长度小于9.2 mm。整个变焦距系统结构紧凑,分辨率高,成本低,可满足手机镜头光学变焦的要求。     

基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计

利用ZEMAX光学软件设计了一款适用于部分2.03 cm(0.8英寸)单片DLP投影机机型的短焦(广角)数字投影镜头。该镜头结构由10片透镜组成,具有结构简单、生产成本低、易加工等特点。镜头的全视场角2w达到80,°相对孔径约为1/2.1,有效焦距约为12.7 mm,等效后截距约为37 mm,其投射比约为0.78/1,即1 m的投射距离可以投射出160.02 cm(63英寸)的画面。镜头有较好的成像质量,在分辨率极限35 lp/mm处,0.7视场以内的MTF值均大于0.35,在1/2分辨率极限处大部分视场的MTF值大于0.7,全视场畸变量的绝对值小于3%。     

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。     

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     

超广角数字通用型投影镜头设计

为了解决现有超广角数字投影镜头存在的缺陷和不足,并与不同类型和规格数字投影机的超广角投影匹配,给出了8组9片式超广角数字通用型投影镜头的光学系统设计.镜头焦距为8.76mm、全视场角达到97°、F数为2.12、后工作距离大于34mm、最大口径小于96mm、总长小于200mm,结构中加入了1个偶次非球面,较好地校正了轴外像差与畸变.用减少透镜数量和增大相对孔径的办法提高了像面照度;通过增大光阑慧差及减小像方半视场角,提高了像面相对照度,其值达97.46%以上.通过合理确定棱镜等效厚度及调整结构布局,使结构适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~23mm.设计的镜头分辨率达120lp/mm、全视场相对畸变绝对值小于1.5%.结果表明:该镜头可满足0.55in~0.76in 3LCD和1DLP类型的各种数字投影机的使用,最小投射比可达0.53∶1,投影画面偏移量最大达到389mm,结构简单,体形小,成本低,成像质量好,可批量化生产.     

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。     

一种胶片式的静态光学目标模拟器

光学成像敏感器是卫星姿态控制分系统的重要组成部分，用于月面景象的获取，可为月面着陆器完成障碍识别、路径规划和安全区域选取等功能提供图像信息来源。为实现光学成像敏感器装星后设备功能和性能的检测，需要一种可在室内为光学成像敏感器提供月面场景信息的光学仪器。设计和研制了一种胶片式的静态光学目标模拟器，该目标模拟器以胶片作为图像源，通过积分球均匀照明系统将胶片照亮，并经由光学镜头将胶片图像投射至无穷远处，从而供光学成像敏感器接收。设计完成的静态光学目标模拟器视场≥30°×30°，入瞳直径Φ5 mm，入瞳距离为41 mm，镜头焦距44.78 mm，图像像素分辨率≤1 024×1 024，各项指标均达到了光学成像敏感器装星后光闭路试验的要求。     

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CODE V和LightTools的成像系统初级鬼像分析

对鬼像的基本概念和形成原因进行了介绍与分析,提出了利用光学设计软件CODE V定性分析与光机适配性软件LightTools定量分析相结合的鬼像仿真分析方法。使用lightTools软件仿真与系统探测器归一化真实响应照度值相比较找出鬼像路径,给出改进措施。对验证实验中给定的电视成像光学镜头的鬼像路径进行计算和仿真,计算结果表明,镜头轴上鬼像路径的归一化响应照度为3.5×10-5,小于探测器的归一化响应范围9.85×10-5~1,探测器无响应,即不产生鬼像,证明该仿真分析方法正确可行。     

500万像素虹膜识别镜头设计

随着虹膜识别技术的深入研究,虹膜识别技术有望在移动支付领域被广泛运用。针对目前虹膜识别镜头体积和质量较大,使用Zemax光学设计软体设计一款三片式非球面结构紧凑的500万像素虹膜识别镜头。该镜头工作距离是170 mm ~250 mm,F#为3,镜头总长为4.43 mm,光学畸变小于2%,TV畸变小于0.5%,相对照度最低大于0.6。匹配使用APTINA公司一款0.635 cm(1/4英寸)CMOS, 奈奎斯特频率为357 lp/mm, 在1/2奈奎斯特频率处MTF均大于0.2,总像素可达到500万像素。最后对镜头进行了像质评价和容差分析,结果表明,该镜头满足各项光学指标要求。     

超短焦距广角CID电视镜头的设计、制造与检测

舰船上直升飞机导降系统的CID电视小镜头 ,焦距只有 5 7mm ,视场为 90°。加拿大国内做得不够理想 ,其主要问题是弥散圆偏大。中科院西安光机所采用全部镜片都用普通光学玻璃的方案 ,精心设计制造了多批CID电视镜头 ,其技术指标完全达到了合同要求 ,加拿大客商倍加赞誉。首先叙述了CIDTV小镜头的光学设计、结构设计、加工和装校的要点。接着重点介绍了检测须过的“五关” :星点检验、近轴焦距、畸变、后截距和透过率测量。最后给出了CIDTV镜头的结果。     

微型差动式共焦自聚焦光聚焦探测系统

为解决微小内轮廓尺寸为代表的微小尺寸的非接触式超精密测量问题，提出了将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的高分辨率和绝对位置跟踪特性相结合的差动式自聚焦共焦微型显微技术的光探测技术，建立了相应的传感系统，介绍了系统的工作原理和构成，自聚焦透镜测头直径为1mm，两个探测器差动设置，不但消除了光源的光强漂移和探测器的电子漂移产生的共模噪声，提高了测量信噪比，而且有效地提高了系统的轴向分辨率，初步实验表明，系统轴向分辨率在倾斜率小于20度的范围内可达5nm。     

扫描型长波红外连续变焦光学系统

基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器, 根据红外扫描成像系统原理, 设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图, 并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。该光学系统采用三次成像的结构, 由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成, 包含9片透镜和2片反射镜。为了降低校正色差成本, 系统使用了硫系玻璃镜片。光学仿真结果表明:系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35, 全视场畸变小于2%。最后, 对系统进行了成像实验验证, 结果表明:该系统可以实现30.8~154 mm范围内连续变焦, 变焦过程中目标景物清晰, 细节分辨率高, 无冷反射现象出现, 该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。     

高精度虹膜识别光学镜头的研制

针对虹膜识别系统中难于获取高分辨率的虹膜图像问题,设计一款高精度虹膜图像采集摄像镜头。镜头焦距14.2 mm, 畸变小于0.15%,像方数值孔径为0.26,像面直径为5.35 mm,工作距离130 mm,物像共轭距为150 mm。光学系统可获得高分辨率图像,在0.7视场光学传递函数MTF在120 lp/mm时大于30%。镜头由4片球面透镜构成,结构简单,适合产业化生产,各项光学指标检测结果达到设计要求。     

用于人体姿态估计传感的菲涅尔透镜设计

随着虚拟现实和体感游戏的兴起，人体姿态估计越来越受到关注。针对基于热释电红外传感器的人体姿态估计系统中的菲涅尔光学微结构透镜进行设计，在分析了锥形偶次非球面的理论公式后，计算得到各级非球面系数。通过仿真分析，当材料选为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），探测器采用6个敏感元面积为2×1 mm2、视场角为100°×100°的LHI968探测器时，得到菲涅尔透镜整体尺寸为28 mm×32 mm，前表面曲率半径为43.7 mm，后表面曲率半径为45.2 mm，中心厚度为0.6 mm。最终仿真结果显示，各探测器光能利用率分别为96.70%、94.8%、96.95%、97.75%、90.65%和90.15%，可以满足对人体不同部位红外光的响应，从而实现人体姿态的精确估计。     

30 mm~110 mm大孔径红外变焦热像镜头设计

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标,同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在国防、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍,利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头,变焦范围为30 mm~110 mm,工作波段在8 μm ~12 μm,F#为1.0,配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用,探测器像元尺寸为25 μm×25 μm,光学系统的总长小于230 mm,整个系统由7片透镜组成,并且只使用了锗一种材料,所有表面均为球面。实验结果表明:在短焦30 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处均大于0.3;长焦110 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析,得出一组较为宽松的公差。     

周视监控全景镜头设计

利用ZEMAX光学软件设计了一种可用于周视监控的全景镜头,镜头由凹凸反射镜组和中继镜组组成,反射镜组使镜头获得大视场角,中继镜组将反射镜组所成的虚像投影到探测器上。该镜头有效焦距为0.97 mm,F数为1.5,垂直方向视场为65~95,水平方向视场为360,镜头工作在475 nm~750 nm波段,总长为69.7 mm。设计结果表明:系统全视场f 型畸变小于5 %,调制传递函数（MTF）值在空间频率为60 lp/mm时大于0.58,系统成像质量良好,可满足周视监控的使用要求。     

折反式超短焦投影镜头设计

针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求,该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构,利用物、像关系原理,结合物方视场计算反射镜面型参数,得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲,整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜,系统总长286 mm,投影距离500 mm,投射画面尺寸254 cm(100英寸),系统投射比0.22,相对照度大于85%,MTF(modulation transfer function)在0.4 lp/mm时大于0.5,水平TV畸变小于0.55%,垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标,采用同轴球面设计易于加工、装调,可有效降低生产成本。