头盔式单目微光夜视仪中光学系统的设计

为提高头盔式单目微光夜视仪中光学系统的成像质量，并满足夜视仪结构紧凑、质量小的指标要求，提出在微光夜视仪光学系统设计中引入高次项非球面透镜的设计方法。针对具体的头盔式微光夜视仪，根据微光物镜、目镜系统技术参数计算理论，确定该微光夜视仪光学系统的技术参数，应用光学设计软件ZEMX上机调试，并在光学系统设计中引入高次非球面透镜，使物镜系统镜片数由原来的9片减少为6片，目镜系统由原来的9片减少为7片，简化了结构，并提高了成像质量。设计结果表明：在头盔式微光夜视系统中采用非球面透镜可以提高系统成像质量，简化系统结构。     

基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计EI北大核心CSCD

采用具有"负-正"形式的反远距结构作为初始结构,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统,其全视场为110°,焦距为1 mm,F数为3.3,最大通光孔径为3 mm,系统总长为7.89mm。该光学系统由6片透镜组成,包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明,在奈奎斯特空间频率143lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4,接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性,在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统,对两者进行了分析比较。结果表明,Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力,且有利于提高系统的优化设计效率;设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小,有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度,降低成本;同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低,有利于提高系统的装配效率。     

凸非球面背向零位补偿检验的设计方法

为了实现大口径凸非球面的高准确度检测,提出了凸非球面背向零位补偿检验方法.该方法在非球面背面引入辅助球面并在光路中加入球面补偿透镜来达到零位补偿检验.辅助球面既可以使凸非球面等效为凹非球面,还可以补偿部分非球面法线像差.依据三级像差理论,对辅助球面曲率半径及补偿透镜结构参量进行初始结构求解,并编写了求解初始结构软件,再利用光学设计软件对初始结构进行优化,优化结果满足设计要求,使凸非球面背向零位补偿检验理论化.在实际应用中,以Φ120mm凸非球面为例设计了凸非球面背向零位补偿检测系统,检测系统设计的剩余波像差PV为0.024λ、RMS为0.007λ.利用此检测方法加工完成后的凸非球面的面形准确度优于λ/40.     

轻小型广角投影物镜的设计

为实现数字投影机的小型化和轻量化,设计了一款适用于0.55 inch数字微反射镜芯片的小型广角投影物镜.该投影物镜总长69 mm,全口径25 mm,由5片玻璃透镜,2片塑料透镜(4个非球面)组成.系统采用像方远心的反远距结构形式,用Zemax软件实现优化设计.F数为F/2.4,投射比为0.73∶1,即60 cm处可投射...     

一种凸非球面镜补偿检验的新方法

凸非球面检验是光学检验中一个比较困难的问题。结合一块Φ110mm的凸双曲面镜,在分析几种传统检验方法的基础上,提出了一种用透镜组补偿检验凸非球面的新方法。令球差系数∑S1=0,用三级像差理论求解光学系统的初始结构,并通过Zemax光学设计软件对初始结构进行优化,克服了传统检验方法的缺点和不足。从设计结果可以看出,系统的像差得到了很好的校正,使得凸双曲面达到了很高的检验精度,从而使非球面的检验更加方便。     

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。     

大视场空间对地遥感卡塞格林光学系统设计

设计了用于空间对地遥感的卡塞格林光学系统,系统的焦距为1000mm,F=5．6,光谱范围0．4～O．9μm,视场为3°,畸变小于1％。采用CODEV软件优化出两种系统结构形式,这两种结构形式的光学传递函数都接近衍射极限。将第二种形式的主镜的抛物面改成双曲面,并在校正组中引入了两个高次非球面,校正透镜组减少了两片透镜,其结构简单、体积小、重量轻,更适用于空间遥感应用环境。     

PW法对连续变焦光学系统初始结构的求解

介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。在物像交换原则的基础上对光学系统的各组件进行光焦度分配和间距的选择得到变焦系统的结构形式。通过改变PW值的大小以及正负选择最佳的玻璃组合,消像差以及计算透镜的形状。利用PW初始结构求解法设计得到了焦距为50 mm~20 mm的中波红外变焦系统,该系统包括5片透镜以及2个非球面,结构简单并且满足100%冷阑匹配。最终得到光能透过率高,成像质量好的连续变焦光学系统,可以满足实际应用需求。因此,PW初试结构求解法在连续变焦光学系统设计中具有一定的借鉴意义。     

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.     

声光可调谐滤波器成像光谱仪非球面光学系统设计

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的工作原理,设计了一套工作在440～780nm的光谱成像光学系统。该光学系统通过引入一面偶次非球面提高了系统的成像质量,简化了镜头的结构,提高了光学系统的透射率。前置光学系统采用由一组双胶合透镜构成的像方远心光路。后置成像光学系统由一组三胶合透镜构成,其中包含一面非球面,根据非球面变形系数与初级像差间的贡献关系,完成了非球面及其位置的优化和对AOTF的+1级衍射光成像。光学系统在32lp/mm的空间频率下的调制传递函数(MTF)大于0.6,像质优良,加工装调公差适中。     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

宽光谱微光准直镜方案设计

介绍宽光谱大视场微光准直镜的光学设计和镜组结构方案,侧重叙述大视场微光准直镜的二级光谱校正方法。根据初级像差理论,由半部系统出发,给出了系统的初始结构。通过理论分析和ZEMAX光学设计软件的优化,结合工程应用给出了工作波长为（0.486～0.863）μm、全视场,相对孔径为1∶7.85的镜头设计实例,其二级光谱为0.01mm。该镜头由6块镜片组成,包括一个标准抛物面,在20lp/mm空间频率处MTF值超过0.8。准直镜的像差满足使用要求。     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

一种带有无光焦度校正板的牛顿光学系统的设计

无光焦度校正板自身无色差和像面弯曲,并具有弯曲PW和光焦度φ₁₁及φ₁₂等变数,为光学系统的像差校正提供了很大的方便。以系统通光孔径Φ=300mm,相对孔径A＝1/2,光阑位置l_p2/f=-0.75,主镜为球面反射镜为例,设计了一种带有无光焦度校正板且光阑在主反射镜前的牛顿光学系统。通过对光学系统进行光线计算、像差分析和优化,得到校正板透镜最佳光焦度φ₁₁＝5,优化后的轴上点波前像差W＝0.0001λ。     

头盔显示器自由曲面光学组件的优化设计

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构,选定泽尼克多项式为自由曲面面型,利用正交泽尼克多项式与像差的关系,调整曲面参数校正系统的像差,运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法,由对比结果可知,分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列斑直径小于27 m,网格畸变的最大值为-7.15%,30 lp/mm处的MTF大于0.197。     

神光-Ⅲ诊断包瞄准指示器光学系统的设计和研究

介绍采用瞄准指示器提高诊断包瞄准精度的方法。基于高斯光束薄透镜变换原理分析由单模光纤耦合输出的激光经过瞄准指示器的光学系统后的传输特性,提出近轴放大率是影响瞄准指示器像方光斑大小的主要因素。设计一个以光纤耦合输出激光为光源,工作波长为635nm,总长小于100mm,瞄准距离（600～1500）mm,在靶心处相应光斑大小为（46.2～71.9）μm的神光-Ⅲ诊断包瞄准指示器光学系统。该激光光学系统采用3片普通光学玻璃,其中固定组由正负分离的2片玻璃组成,变焦组为单片负透镜。最后利用点扩散函数和波像差进行质量评价,结果表明该光学系统设计指标达到技术要求。     

宽光谱长焦距物镜的复消色差设计

介绍了以摄远型为初始结构的宽光谱长焦距折射式物镜的设计方法。对玻璃材料的选择进行了分析,并建立了能够分配三分离透镜组光焦度的复消色差方程组。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出工作波长范围在0.4~0.9μm、焦距为400 mm、视场角为6.2°、相对孔径为1∶4的设计实例。设计结果表明,二级光谱得到了很好的校正,像质优良。     

相对孔径为1∶1镜头的光学系统设计

介绍一种相对孔径为1:1的光谱摄像镜头。利用非球面光学表面将复杂化的Petzval型结构形式改进为3片结构,其主要光学参数f′=120mm，F=1，τ≥90%，系统MTF=0.85时的成像质量所对应的空间频率大于20lp/mm。结合非球面加工工程化研究需要对该镜头的结构进行优化，给出了多种像差曲线及MTF数据，并对未来可进行的进一步改进进行了探讨。     

Φ0300激光扩束器光学系统设计

从三级像差理论出发，分析伽里略（Galilean）和开卜勒（Keplerian）两种类型扩束器的轴外像差没有得到很好校正的原因.通过合理的光路分析，设计出一种轴上和轴外像差都得到很好校正、大口径大相对孔径、视场可增大的、光学性能优于伽里略和开卜勒扩束器的新型扩束器.并给出了物镜通光口径为300 mm、物镜焦距为800 mm、视场为4 mrad、放大倍率为30倍、主工作波长为0.6328 μm的非球面扩束器光学系统结构参量，且进行了像质评价.调整此扩束器目镜组中各镜片的间隔以及物镜和目镜的间隔可以使该扩束器在三个波长使用.     

长焦距超高倍率变焦距光学系统设计

为设计一套焦距17～1 700mm的长焦距、超高倍率变焦距光学系统,首先在合理选择初始结构基础上,通过比较高斯光学计算结果找出高斯解对系统性能的影响规律,从而确定系统的关键参量;然后通过分析各组元相对孔径和像差特点选定结构形式,并进行系统像差的校正和优化.设计结果系统光学总长760mm,各焦距位置全视场50lp/mm处MTF>0.3,各项指标满足系统要求.