基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计

针对基于SMT技术生产的PCB板产品的三维缺陷检测问题,设计了一款高分辨率、高远心度及低畸变的双光路双远心光学系统。它通过远心投影物镜经共光路物镜将DMD数字条纹均匀投影至待测物面,同时经由共光路物镜和成像物镜收集物面反射条纹光至CMOS接收面。使用ZEMAX光学软件分别对三部分镜组进行优化设计,分析了系统的像差和调制传递函数。设计结果表明:共光路物镜部分采用长工作距离、大视场角及物方远心结构,空间频率50lp/mm处,各视场的MTF接近衍射极限;投影光路畸变小于0.1%,在投影面上全视场范围MTF在6lp/mm处大于0.8且条纹周期均匀;成像光路畸变小于0.05%,在全视场范围MTF在80lp/mm处大于0.3。仿真成像结果表明,在离焦量为+/-6mm时仍能达到景深范围内分辨率要求,能有效提高3D AOI检测质量。且双光路双远心系统所用材料基本为普通玻璃且重复率较高,利于加工和节省成本。     

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%。     

大视场针孔物镜设计及成像畸变校正

设计了一个相对口径为1/5、焦距为5mm、视场角为125°的大视场针孔物镜系统。该结构在50lp/mm时的所有视场的调制传递函数均大于0.5,成像达到衍射极限,但全视场畸变率达到-46%。根据光学成像理论和图像处理技术,利用点阵样板计算光学中心和畸变系数,建立畸变校正模型,设计畸变校正算法。将线性成像模型与畸变校正模型相结合,建立畸变校正率标定方程,利用该算法求得的畸变校正率达到96.17%。将该校正方法与其他方法进行了对比分析,结果表明,该方法简单易行,基本满足工业上的需求,能够广泛适用于大视场镜头的成像畸变校正。     

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。     

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%。     

折反式微光夜视物镜的光学设计

介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计。设计参数为焦距100 mm,相对孔径1/1.4,视场10。为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻。在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度。经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50 lp/mm时,轴上传递函数大于0.4,轴外传递函数大于0.2,与像增强器极限分辨率相匹配,全视场畸变小于2 %,物镜总长达到67 mm。     

基于多重结构的平显视差仪中内调焦物镜设计

根据平显视差测量原理中自动调焦的要求,设计了一个相对孔径与调焦范围均较大的内调焦物镜。针对内调焦传统设计方法的不足,在对内调焦各镜组选型后将它们组合成为一个系统,采用多重数据结构设计的方法,对不同物距下的结构进行同时优化,从而解决了近距离的成像质量难以控制的问题。所设计的内调焦物镜在不同的物距下成像质量稳定,无穷远时光学传递函数(MTF)值在空间频率为120 lp/mm时轴上与轴外均达到0.4以上,物距在300 mm时轴上视场MTF为0.3,轴外视场弧矢MTF在0.3以上,子午MTF达到了0.2;相对畸变均控制在1%以内,有利于后续的图像处理工作。     

强电磁干扰环境下光纤束传像系统的设计研究

为解决电磁辐射干扰环境中图像稳定传输的问题，设计并开发了具有抗强电磁干扰能力的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学设计软件，对传像系统中前置物镜和后置目镜分别进行了设计，并根据物镜和目镜的初始像差分布情况，利用优化函数，结合各种操作数，对系统的像差进一步优化。优化结果表明，物镜各视场的光学调制传递函数（MTF）值在空间频率为38 lp/mm处大于0.85，目镜各视场的MTF值在空间频率为120 lp/mm处大于0.3，具有较高的成像质量。针对选用的物镜、目镜、光纤束及CCD的结构特点，设计并制备出系统连接的耦合器件，并搭建了一套传像系统，进行图像传输实验。对系统的成像质量以及影响因素进行分析，采用Gamma算法提高像面亮度，获得了高质量的传输图像。     

透镜转像式军用瞄准镜物镜设计

为了满足瞄准镜体积小、重量轻的要求,需要物镜采用摄远型结构。分析了摄远型透镜转像式物镜的光学特性与像差特点,提出了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组构成的结构型式。依据系统的成像特性,推导了光焦度分配和外形尺寸计算公式。采用光学设计软件Zemax设计了摄远型透镜转像式物镜,系统焦距为-100 mm,入瞳直径为25 mm,视场角为8,系统总长仅为99.92 mm。设计结果表明,采用该方法设计的瞄准镜物镜在40 lp/mm处各个视场的调制传递函数均在0.2以上,满足目视光学仪器的使用要求。     

水下微光摄影物镜的设计和研究

增大视场角和相对孔径是提高水下微光摄影物镜性能的重要手段。介绍大视场大相对孔径水下微光摄影物镜的设计方法和特点。基于反摄远结构采用11片镜片设计了相对孔径为1/1.4,水下全视场角66°,焦距11.8mm的水下微光摄影物镜。质量评价结果表明:设计的摄影物镜成像质量优异,在空间频率为42lp/mm时0.7ω的MTF值高于0.5,且达到各项性能指标,能够满足水下微光摄影物镜对大视场大相对孔径的需求。     

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。     

基于ZEMAX的超广角照相物镜设计

针对超广角照相物镜的设计,利用ZEMAX光学设计软件,由各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制,通过选择适当后组,利用三级逆伽利略系统串接的方法优化设计了前组,前后组组合在一起后经过进一步优化设计,得到一款在可见光波段内、焦距为6.2 mm、全视场角为100、F数为2.1的照相物镜。该镜头由16片球面透镜组成,设计结果表明,全视场镜头的最大畸变量的绝对值小于3.5% ,最大场曲小于0.05 mm,全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.7,达到衍射极限。     

像方扫描技术研究

基于显微摄影的成像原理,研究了像方扫描以扩大视场的途径,并建立了一个二次成像的设计模型,包括一个大视场的固定前置物镜组和一个运动轨迹为球面的中继透镜组。物镜组所成的一次像面优化了场曲,中继透镜组则根据该场曲进行运动,对一次像面不同区域成像,并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径1∶3,波长3.7 m~4.8 m,焦距90 mm,瞬时凝视视场为4,扫描视场达24,采用7片透镜3个非球面,在全视场范围内具有接近衍射限的像质。     

星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪的研制

为满足空间遥感的迫切需求,设计并研制了一个星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪样机.该仪器通过利用光阑像差产生的有效像差渐晕提高像面照度的均匀性,解决了广角系统中像面照度不均匀的问题.合理选择结构型式校正了畸变,并且采用全球面光学系统,易于加工和检测.广角气溶胶探测仪的中心波长为670 nm,带宽20 nm,全视场72°,相对孔径1/3.6,焦距20 mm.实验结果表明:研制的星载广角气溶胶探测仪镜头其入瞳大小5.6 mm,边缘视场的相对照度达到95.6%,在36 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数值大于0.61,轴外视场的调制传递函数值高于0.58,最大畸变量为-1.95%,完全满足设计指标要求,体积小,适合空间遥感应用.     

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。     

用于监控系统的鱼眼镜头光学设计

为了满足监控系统中单镜头可实现全景监控的需求,运用仿生学原理,在原有鱼眼镜头的基础上结合监控系统的需求,运用ZEMAX软件设计了一款视场为180°,相对孔径为1/1.6的鱼眼镜头.该镜头由9片透镜组成,总长度为68.5mm,采用1/3英寸CCD作为图像接收器件.在120lp/mm时,其MTF曲线在轴上大于0.4,在80...     

大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

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。