F-θ镜头的光学设计

介绍一种适合于激光打标的聚焦镜头－F-θ镜头的光学设计.通过引入桶形畸变，得到的F-θ镜头的像高与入射角成正比，可实现打标速度的线性控制.优化设计得到的工作面积达500×500 mm2的F-θ镜头，结构简单紧凑、聚焦性能达到衍射极限.     

多波长广角f-theta透镜光学设计

f-theta透镜作为激光扫描系统中必不可少的部件,对系统工作面尺寸、测量速度、测量精度等起着决定性的作用。为改变以往f-theta透镜扫描范围小、工作波长单一等不足,设计出了一种工作于486 nm~656 nm波段的广角f-theta透镜。通过初级像差分析,确定系统的初级结构参数,利用光学材料的不同色散性能分配合理的光焦度来进行色差校正。设计结果表明:f-theta镜头像散值在像差容限范围内满足平像场要求,f-theta镜头系统最大色差为3 μm,线性畸变误差值不超过0.015%,光能利用率接近90%,聚焦性能接近衍射极限,满足多工作波长、高精度激光打标机的实际需求。     

一款宽光谱鱼眼镜头的设计

讨论了一款用于监控侦查的鱼眼镜头设计.首先根据使用要求,选择了可以由图像直接提取出目标方位信息的等距离投影方式;又由系统对目标分辨率的要求,选择了焦距相对较长的全帧成像形式.通过合理布局系统结构及材料选择,使各种像差得到较好的校正,并通过加大光阑慧差改善系统照度均匀性.最终设计出工作波段486～900nm,视场180°,F/2.8的宽光谱鱼眼镜头,设计结果系统全视场在乃奎斯特频率63lp/mm处的调制传递函数大于0.3,边缘视场照度大于中心视场照度的50%,f-θ畸变小于3%,各项指标满足系统要求.     

一款宽光谱鱼眼镜头的设计

讨论了一款用于监控侦查的鱼眼镜头设计.首先根据使用要求,选择了可以由图像直接提取出目标方位信息的等距离投影方式;又由系统对目标分辨率的要求,选择了焦距相对较长的全帧成像形式.通过合理布局系统结构及材料选择,使各种像差得到较好的校正,并通过加大光阑慧差改善系统照度均匀性.最终设计出工作波段486~900 nm,视场180°,F/2.8的宽光谱鱼眼镜头,设计结果系统全视场在乃奎斯特频率63 lp/mm处的调制传递函数大于0.3,边缘视场照度大于中心视场照度的50%,f-θ畸变小于3%,各项指标满足系统要求.     

EMCCD侦察探测装置光学系统设计

为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求,设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收,像元尺寸为16 m16 m 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点,选定三视场光学系统的初始结构形式,运用CODEV软件对其进行优化,实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明,三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5,点列斑直径均小于像元尺寸,畸变均小于0.2%,成像对比度满足使用要求。     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

固态面阵激光雷达接收光学系统设计

在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。     

基于曲面传感器的大孔径1300万像素手机镜头设计

设计了一款由5片塑料非球面透镜组成的1 300万像素大孔径手机镜头。将曲面传感器引入镜头设计,在不增加镜片数量以及保证大光圈的基础上改善了边缘像质,解决了边缘失光问题。系统采用1/3英寸(4.8 mm×3.6 mm),长宽比为4:3的曲面传感器。该镜头的焦距为3.5 mm,F数为1.55,视场角为74°,全视场调制传递函数(MTF)均大于0.4,最大畸变小于3.5%,相对照度大于55%,可以获得良好的成像效果。镜头公差灵敏度较低,能满足加工条件。     

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量,设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上,分析光束在光学系统中能量传递的变化规律,对比光电探测器的感光能力,利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析,严格控制传感探头孔径光阑的大小,对光学系统进行优化处理,成像最大弥散斑半径低于3. 3μm,空间分辨率120lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于0. 5,光线扇形图的最大像差小于5μm,畸变量低于0. 1859%。该光学系统具有良好的成像效果,可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求,以保证传感器的测量精确度优于5μm。     

超广角大工作面f-theta镜头的光学设计

 目前国内用于激光标刻机的f-theta镜头的视场角一般小于60°。采用望远镜结构,利用视觉放大率增大视场角,得到了超广角90°镜头。该方法具有简洁、可靠、易实现等特点。通过初级像差分析,确定系统的初级结构参数,利用ZEMAX软件优化得到了大工作面为285 mm的f-theta镜头,镜头线性畸变误差值不超过1 %,在半径为698 μm的圆内,能量集中度为80%,聚焦性能接近衍射极限。     

基于Placido盘的角膜地形图仪成像系统设计与实现

为实现基于Placido盘的角膜地形图仪中图像的有效采集,根据人眼角膜的特点以及所选用的CCD面阵参数,设计了一套对称式消色差物镜及准直照明透镜系统。利用初级像差理论及PW法计算成像镜头的初始结构,根据近轴光线追迹公式计算准直照明透镜参数,利用Zemax光学软件进行系统优化。成像镜头结构由2组4片镜片组成,有效焦距为20mm,后工作距离为19.2 mm,相对孔径为1/3,全视场角为8°,光学总长控制在20 mm以内。在镜头分辨率66lp·mm-1处,所有视场的调制传递函数值均大于0.3,全视场畸变量小于0.5%。该系统具有整体结构简单、紧凑、易加工、成本低、成像质量好等特点,其性能很好地满足了整机的要求。     

基于球面透镜的超短焦投影系统设计

为了实现大像面、小投射比、高清画面要求,设计了一款折反式超短焦投影镜头。根据性能指标要求选择了反远距系统,采用缩放法获得初始结构,由出瞳位置不同视场光线与像面的高度关系,计算获得了反射镜坐标数据,拟合得到反射镜面型。采用点列图、场曲/畸变和调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线对像质进行了评价。最终获得了焦距为5.45 mm,投射比为0.4的物方远心系统,在投影距离720 mm时可投射80 inch画面,清晰度为1080 p,视场角为136°,放大倍率约为125倍,系统点列图均方根(Root Mean Square,RMS)半径小于750μm,畸变小于0.2%,相对照度在96%以上,其MTF曲线幅值在0.54 lp/mm时均大于0.3。公差分析表明,系统设计合理,成像质量良好。相较于其他折反式超短焦投影镜头,该系统在保证成像质量的同时折射部分未使用非球面,有效降低了加工和装配难度。     

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。     

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。     

轻量化头戴显示器光学系统设计

虚拟现实头戴显示器(HMD)的光学系统应具有较大的视场角和出瞳,同时应具有重量轻和厚度薄的特性,从而适应人体的佩戴需要。为了同时满足这些要求,详细描述了一种基于初级像差理论的头戴显示器光学系统设计方法。根据这个方法,用两种聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC),设计了双片式的头盔系统,其出瞳直径为8 mm,视场角为70°。系统总长小于70 mm,镜头的总质量小于30 g。全视场相对照度大于0.4,其轴上像差和轴外像差都得到了有效校正,边缘视场点列图光斑半径在70μm左右,各个视场的调制传递函数(MTF)曲线分布较为均匀,同时中心视场和边缘视场的MTF值在8 cycle/mm处分别为0.6和0.4左右,最大畸变小于2%,实际加工的系统对标准分辨率板的成像像质能够满足使用要求。     

大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

应用于dPCR基因芯片的荧光精缩无限远物镜设计

数字聚合酶链式反应(dPCR)技术在生物医疗领域具有非常重要的应用价值,为了进一步投入临床诊断和病原体检测中需要在光学检测系统的检测效率和准确性方面取得进展。针对dPCR检测需求,使用ZEMAX软件设计了无限远消色差荧光精缩物镜。镜头物方数值孔径为0.1,整体放大倍率为-0.65倍,可对Φ为34.9mm的物体进行成像,物方工作距离105.3mm,像方传递函数在70lp/mm处高于0.73,相对畸变小于0.4%;镜头设计可以同时满足大视场高分辨率的荧光多通道探测要求;基于无限远荧光显微成像技术,镜头可一次性检测位于28mm×18mm基因芯片上2万个反应通道,克服现有设备拼接成像的弊端并提高检测效率。     

微球动态涂敷状态实时监测光学系统的设计

 介绍了一种可用于实时监测直径0.2～1.0 mm激光核聚变靶球涂敷状态的光学系统的设计，系统采用环形LED照明系统以适合特殊的照明要求，用Petzval型物镜使500 mm处的微球清晰成像于CCD像面上，CCD输出的图像电信号经图像采集卡转换成数字信号，最后该数字信号由计算机进行处理，实现了系统对靶球膜层涂敷作业的自动监控，大大提高了涂敷效率。所设计的系统轴上点最大弥散斑直径为12.6 mm,轴外最大弥散斑直径为15.8 mm，整个视场的像质比较均匀,分辨率较高，对于波长522 nm的光线，场曲和畸变分别小于15 mm和0.012%，像质优良。     

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.     

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。