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。     

非球面鱼眼镜头设计及畸变校正算法研究

提出了一种非球面鱼眼镜头的设计方法,根据全景摄像系统镜头使用要求,设计得到一款仅由三片非球面塑胶镜片和一片球面玻璃镜片组成的超广角鱼眼镜头。镜头最大成像光圈直径为15.3 mm,后工作距离为2.158mm,系统总长为11.44mm,焦距为0.97mm,视场角为210°,在60lp/mm处调制传递函数(MTF)曲线达到0.35。还构建出一种高效简单的鱼眼镜头畸变校正算法,根据镜头设计中得到的畸变曲线,应用畸变模型运用实际像点计算出理想像点位置,将鱼眼镜头拍摄的畸变图像校正为适合于人眼观看的无畸变图像。通过车载全景显示应用中实际拍摄图像及校正图像的对比,验证出该算法精准可行。     

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。     

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。     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26～34 mm,视场角为36.2°～28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2％以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26~34 mm,视场角为36.2°~28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2%以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

用射影不变性纠正鱼眼镜头畸变

计算机视觉通常采用针孔摄像机模型，但对于存在较大畸变的鱼眼镜头或广角镜头，必须首先纠正镜头畸变才能应用针孔模型。为了从同时存在透视变形和鱼眼畸变的图像中纠正鱼眼畸变，采用了以下射影不变性：空间中直线的投影为直线；平行直线束的投影平行或相交于一点；直线段投影的交比不变。首先，用待纠正的鱼眼镜头对一幅等间隔正交网格图成像，提取网格结点作为控制点，然后用射影不变性求解畸变模型，达到纠正畸变的目的。该算法巧妙地运用三次方程的Cardan解法。大大提高了速度。结果表明，运用该方法纠正鱼眼镜头畸变速度快、精度高。     

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。     

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。     

低畸变宽工作距机器视觉镜头光学设计

机器视觉镜头参数要求有别于其他镜头，为了保证测量精度，要求镜头的光学畸变很小甚至接近零，有的工作场合还要求有很宽的工作距等。设计一种机器视觉镜头，使用8枚球面镜片，采用固定后组，移动前组的调焦结构，实现了在空间频率120 lp/mm处，工作距从无穷远到超近摄0.1 m时，镜头畸变小于0.1%，MTF全视场大于0.4的性能要求。光学系统后组使用了两枚镜片，与后组只有一枚镜片的架构不同，不仅提升了光学性能，还有利于系统的平衡及稳定。整个光学系统没有非球面，也没有高折射率或高阿贝数的特殊玻璃，均为常见的冕牌玻璃和火石玻璃，降低了镜头成本,镜片加工及组装公差范围内量产优良率达90%以上。该镜头光学系统可广泛应用于机器视觉尤其是智能机器视觉行业。     

双波段CCTV鱼眼镜头光学系统设计

根据CCTV（closed circuit television）镜头的使用需求,以“非相似”成像原理为基础,设计了一款双波段CCTV鱼眼镜头。系统工作波段480 nm～850 nm,可见光和近红外光双波段成像,可实现昼夜监控。镜头F数1.8、视场角1800、焦距1 mm、光学总长7.76 mm,具有大相对孔径、大视场角、小型化等特征。采用7组9片式反远距结构,无特殊玻璃、无非球面,大大降低了系统复杂化程度和加工制造成本。利用光学设计软件Zemax对其进行光学系统设计,选取1/3英寸CCD作为探测器,在奈奎斯特频率120 lp/mm时,其各个视场的子午调制传递函数曲线和弧矢调制传递函数曲线值均达到0.5以上,接近衍射极限,成像质量很好。全视场场曲均小于1 mm,相对畸变小于25%,相对照度在95%左右,满足CCTV镜头的使用要求,可广泛用于监控侦察等领域。     

LED微阵列投影系统设计

为满足便携式投影仪的市场需求,设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元,利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构,全视场角为80°,焦距为8 mm,属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处,该物镜的调制传递函数大于0. 85,畸变小于2%,符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小,结构简单,投影效果好,易加工等诸多优势,可为第三代投影技术的发展提供参考。     

基于ybar-y图的光学结构计算方法研究

本文基于y_bar-y图, 建立了计算光学系统一阶结构的数学模型, 并利用粒子群优化算法对模型进行了求解, 可以自动优化出各种光学系统的一阶结构. 编写了一套含图形用户界面(GUI)的软件, 将光学系统的基本设计要求进行处理后导入GUI, 求解之后利用商用光学设计软件如ZEMAX等, 将一阶结构转换为实际透镜结构, 然后经过透镜优化, 就可以设计出满足要求的光学系统. 根据本文所提出的光学结构计算方法, 首先进行了1300万像素手机摄像物镜的设计, 该物镜使用了4片非球面, 各项性能指标能够满足设计要求. 然后设计出一套头盔显示光学系统的目镜, 使用了两片非球面透镜实现了90°的视场角, 其他的性能指标也都满足要求. 两类光学系统的设计实例验证了该方法是一种可靠的光学系统一阶结构获取方法.     

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。     

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。     

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...     

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%。     

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。     

高分辨率超低畸变航天光学成像系统设计

在航天空间交会、对接等高精度定位应用中需要光学成像系统具有高分辨率、低畸变、大视场的特点，为此设计了一种满足上述要求的航天物镜。采用复杂化的双高斯结构形式进行准像方远心光路设计，系统由9片透镜组成，并采用耐辐射玻璃材料减少离子辐射的腐蚀性；采用滤光片避免短波辐射对系统的影响，引入非球面提高成像精度，最后对成像物镜进行了公差分析。设计的系统焦距为24 mm，相对孔径为F/2.2，工作波段600 nm~800 nm，全视场角为35°。设计结果表明，采用该方法设计的物镜在128 lp/mm处各视场传递函数值均大于0.3，畸变值为0.007 2%，达到设计指标要求。