一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列

设计了一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列,该三片式微透镜阵列以加入场镜的开普勒望远结构为原型,通过微透镜阵列之间的微小横向位移进行接收视场的选择与发射光线的同步偏转,完成扫描光学系统对大视场区域的光束收发。设计约束望远镜的视觉放大率为1,即入射和出射端口的微单元通光孔径相等,从而实现收发共用且不会造成能量损失和串扰。利用ZEMAX光学设计软件,采用发射、接收端口单独设计然后拼接的方法搭建模型。微透镜阵列工作中心波长为1 064 nm,凝视视场为±1.06°,扫描视场为±10°,单元规格为1 mm×1 mm,且只需移动一片即可实现双向扫描,具有体积小、扫描角度大、灵敏度高等优点。     

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。     

基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计

关节镜是一种用于观察关节内部结构、诊治关节疾患的内窥镜。利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、像质好的优点,运用Zemax软件设计了一款结构简单的关节镜光学系统,可用于1/10＂CCD关节内窥镜成像。系统具有60视场角,F数为6, 工作距离从～5 mm,各视场的调制传递函数(MTF)在125 lp/mm时达到0.2以上,分辨率达到4 m,且各组态点列图均小于艾里斑半径。光学结构总长204 mm,最大镜头口径小于4.6 mm,根据关节镜的使用特点,系统满足使用要求。     

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示：总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8 μm,能实现120 mm/60 mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33 lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200 mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标,基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论,建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型,提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时,将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中,分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差,并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8μm,能实现120mm/60mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

层叠微透镜阵列光扩散片特性研究

提出了一种新型的层叠微透镜阵列光扩散片。在入射侧具有大口径低数值孔径微透镜阵列结构,在出射侧具有小口径高数值孔径微透镜阵列结构。分析了层叠结构对光线在视场内的扩散增益原理。利用光线追迹法模拟了微透镜高度、口径等结构参数对光学性能的影响。模拟结果表明,正面亮度随出射侧微透镜高宽比增大而增加,在入射侧增加一层高宽比在0.01～0.15的低数值孔径微透镜阵列,能够将正面亮度再提高3%～5%。实验测试结果表明其增益率可达40.06%,较单层微透镜阵列扩散片提高了4.2%。     

小型无人机载大视场复眼相机光学系统设计

针对小型无人机载大视场光学成像观测需求,设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4mm,F数为4,视场角可达106°,在500m的飞行高度分辨率可达0.5m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差,相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下,可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像,达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求,每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。     

三视场红外搜索光学系统的设计

设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统,其中大中视场利用透镜组切换变倍,小视场和大视场利用反射镜切换变倍。设计中采用二次成像的方式,3个视场共用二次成像透镜组,保证100％冷屏效率,减小第1片透镜的过口径。同时,采用非球面技术校正系统的球差和彗差,通过光学设计软件CODE V仿真,得出最大的点列斑为11 m左右,并且MTF接近衍射极限,成像质量完全满足使用要求。最后,该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体积小的特点。     

可调焦胶囊内窥镜光学系统设计

为解决胶囊内窥镜分辨率与景深相互制约的问题,将一种单液体、电控、可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计,在保证分辨率的同时,扩大了系统景深.采用CODE V软件进行设计,建立系统初始结构,构造液体透镜模型,基于液体透镜中液体的体积不变,曲率、孔径和厚度可变的结构约束特点,在MATLAB中计算出不同物距下透镜的曲率、孔径和厚度数据,将其导入CODE V的系统模型中,并提出了相应的优化流程.设计并优化带有液体透镜的胶囊内窥镜系统,实现了系统在3~100mm景深范围内的清晰成像,视场角大于110°,全视场范围内调制传递函数在40lp/mm频率下均大于0.3.     

大口径超长焦距紧凑型光学系统设计

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求,提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论,创建了同轴四反射镜系统的初始结构,通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化,系统口径1 800 mm,有效焦距25 000 mm,全视场角1°×0.1°。设计结果表明,系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm),全视场相对畸变小于0.4%,光学筒长仅为有效焦距的1/10,结构简单紧凑,像质接近衍射极限,对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。     

机载双视场中波红外光学系统优化设计

为了满足机载红外搜索与跟踪系统的实嘎使用要求,根据变焦系统的基本理论及中波红外系统的特点,设计了320pixel×256pixel的中波制冷型焦平面阵列探测器的双视场中波红外光学系统。系统采用了二次成像结构,并在系统的第一像面位置安装光阑,以此减小杂散光对系统的影响。设计结果表明：系统具有100％冷光栏效率,在仅移动一片透镜的情况下可实现在800和400mln的两档变焦,系统F数为4且恒定不变,像面保持稳定,系统场曲〈0．04mm,畸变〈2．5％,在探测器的Nyquist频率16lp／mm处光学传递函数的峰值〉0．5,表明光学系统的像质满足使用要求。     

单机数字立体双通道放映镜头的光学设计

介绍了一种新型单机数字立体电影双通道放映系统,利用ZEMAX光学设计软件与人工构造相结合的方法,成功设计了一款单机数字立体电影双通道放映镜头。镜头采用特殊的离轴、三轴结构和折射式光路,由前组和后组两分结构体组成,前组包括6组7片球面透镜,后组由两个完全相同的、对称的3组4片球面透镜结构组成。镜头参数为：总长243.87 mm,最大口径93 mm,焦距20.23 mm,全视场角36°,相对孔径1/2.01;后组两副光轴的间距为8.2 mm,工作距为37.8 mm。镜头具有体积小、成本低、结构简单、成像质量好等特点。     

微光夜视鱼眼镜头的研究与设计

为了满足在夜晚低照度环境下对鱼眼镜头的需求,利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于2 inch微光夜视相机的微光夜视鱼眼镜头。该结构包含窗口透镜,共由7组10片透镜组成,其中除窗口外,其余全部为光学玻璃,而且选用的玻璃材料均为常用、性能良好、价格便宜的牌号。有效焦距为9.5 mm,相对孔径为1/1.8,视场角为170°,像高为21mm,光学系统总长为90 mm,最大口径为56 mm,后工作距离为10.4 mm。在分辨率46 lp/mm处,全视场范围内的MTF值均大于0.36,全视场f-θ畸变量的绝对值小于30%,场曲小于0.15 mm,镜头有较好的成像质量。     

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。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.