Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657 mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°~90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

Q-Type非球面小畸变全景环带光学系统设计

通过动态链接库方式在Zemax中建立Q-type非球面接口,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段,垂直半视场为30°~110°,焦距为-1.25 mm,F数为5,系统总长为28.7 mm的全景环带光学系统(PAL)。该光学系统由7片透镜组成,包含6片球面镜和一片两面均为Q-type面型的非球面镜片。对设计结果进行了分析,全视场FTheta畸变小于1%,在奈奎斯特空间频率83 lp/mm处调制传递函数(MTF)高于0.5,成像效果接近衍射极限。为验证Q-type非球面在PAL设计中的优越性,实际设计了一个与Q-type面型PAL具有相同参数的偶次非球面PAL,对两者进行了分析比较。结果表明,在相同的计算平台下,Q-type非球面多项式系数的有效数字比对应的偶次非球面的多3~6位,有效减小了优化过程中计算机数字系统截断误差对优化过程的影响,有利于提高光学系统优化设计效率、提高非球面光学零件的加工精度和检测精度。     

水平对称视场全景环带成像系统设计

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°^+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

折反式超短焦变焦投影镜头的设计

为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面,降低超短焦投影的加工成本和装调难度,设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片,16片球面折射透镜和一片非球面反射镜,非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm,投影距离是424～509mm,投射画面尺寸是2.286～2.794m(90～110in),视场角150°,投射比为0.21,水平、垂直TV畸变小于0.25%,相对照度大于90%,MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求,全玻璃透镜的设计易于加工和生产,有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。     

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。     

基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计

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。     

超短投影距的投影物镜设计

为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的,先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型,再对投影镜头整体优化,设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2,焦距4 mm,像方视场角128°,像方0.4 lp/mm(截止频率)处调制传递函数(MTF)大于0.6,最大畸变的绝对值0.9%,镜头总长100 mm,最大口径Φ=80 mm。设计结果表明,该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构,全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。     

一种数码相机定焦镜头的光学系统设计

为适应市场上对结构简洁、成像品质高且生产成本低的数码相机镜头的需要,运用光学设计软件CODE V,在传统数码相机定焦镜头的基础上,结合非球面塑料透镜理论,模拟出了生产成本较低的三片式数码相机定焦镜头。该数码相机镜头结构的特点是：模块仅包括3块透镜;选择塑料镜头代替玻璃/塑料混合镜头或者全玻璃镜头,降低了系统的生产成本;系统的后焦距增大到0.8116mm,能够确保良好的远心光路性能;透镜表面完全采用非球面设计,较好地校正了球差等各种像差,使透镜具有良好的光学成像性能。     

超短焦偏振折反射虚拟现实镜头设计方法

超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案，能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理，说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势，并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度，提出将非球面转化为环形拼接非球面，并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题，引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头，在像质平衡优化后，全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势，并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程，原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。     

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。     

AGRIN混合光学系统设计

轴向梯度折射率(AGRIN)透镜是一种有望用来替代非球面,并在成像时优于非球面的一种方法.综述了AGRIN材料的发展历史,现状及其在镜头设计中的应用,简述AGRIN材料在光学设计中的应用和它与非球面相比的优点,探讨AGRIN材料的制造问题.发现使用AGRIN材料,不仅会使光学系统成像质量有所提高,而且在制造和测试上都有很大的优势.最后以设计一个焦距125 mm、F/4、视场25°,适用于DALSA全帧28M像素大幅面CCD的航测数字相机镜头为例,把原来的11片全球面镜头,利用2片AGRIN透镜,在保持像质不变的情况下减少到8片,而且像质均匀性和镜头结构更加合理.     

基于近焦点非球面透镜的LED均匀照明设计

依据几何光学和非成像光学理论,提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中,首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数,然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化,得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真,根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明:均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。     

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。     

电场作用下的变焦非球面液滴微透镜

提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并在线检测其光学性能的新方法。在实时进行光学检测的条件下,选择光固化材料,利用电场作用操控液滴透镜的面形实现变焦,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可制作具有良好光学成像和聚焦性能的非球面微透镜。研制了紫外光固化非球面液滴微透镜制作平台及在线检测系统,实验观察并讨论了液滴透镜面形和聚焦光斑随电场作用的变化规律,成功实现了液滴透镜的变焦,并获得了良好的非球面面形和聚焦光斑,证明了用此方法制作高成像性能的非球面微透镜的可行性。     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统。该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178°,F数为3.5,其像差得到了较理想校正,调制传递函数在空间频率40 lp/mm处均大于0.37,成像性能较好,满足实际应用要求。同时,对设计的系统进行了公差分析。     

高次非球面眼镜片设计

提出了按照市场要求设计非球面眼镜镜片的方法。通过把相对畸变、光焦度、散光、减薄量作为优化函数和使用简单有效的高次回转对称非球面方程来描述面形,设计出了高次非球面眼镜片,设计出的非球面镜片的边缘减薄量接近0.4mm,相对畸变在0.2%以内,光焦度和散光分布均匀。结果表明,该镜片在满足成像要求的同时也满足了市场要求。     

200万像素手机摄像镜头的设计

为了适用手机这一特殊领域对微型化和简单化的摄像镜头的需要,在传统球面玻璃镜片基础上结合非球面透镜理论,运用CODE V优化出一个用于可见波段且生产成本低廉的三镜片定焦摄像镜头系统。该镜头总长度小于5mm,并且有着很好的成像效果。为了结构紧凑并且能最大限度地降低生产成本,在结构设计中采用球面的玻璃镜片和非球面的塑料镜片,镜头的适应像素尺寸是2.52μm×2.52μm,相应的尼奎斯特频率是196条/mm,相关的调制传输函数值在尼奎斯特频率的1/2时达到40%,所成像面的球差控制在-0.05mm～0.05mm之内,最大畸变小于0.17%。该镜头可满足手机摄像镜头200万像素的要求。     

折反式大视场星敏感器光学系统设计

讨论了由逆卡塞格林结构和补偿器构成的折反式星敏感器光学系统。该光学系统由一块球面反射镜、一块非球面反射镜以及由同种光学玻璃做成的两块球面透镜和一块非球面透镜组成。具有视场大、相对孔径大和易实现等优点。给出了该光学系统的设计指标和设计思想,并给出了由其初级像差公式确定初始结构参数的方法。经优化设计,得到了全视场为20°、入瞳直径为36.3mm、相对孔径为1∶1.2的光学系统。给出了它的成像质量评价。     

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。