宽视场高分辨率闭路监控系统监控镜头设计

为了满足新形势下闭路监控系统（CCTV）对拍摄视场和高清分辨率的要求,设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80,F#为3,焦距为5 mm,光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 m7.5 m,1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处,全视场MTF接近0.65;在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数（MTF）大于0.85;在220 lp/mm处,全视场MTF大于0.3,已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9,RMS为0.015 9,达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明,该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。     

多波段共孔径离轴三反光学系统设计北大核心CSCD

针对军用光电系统对视场范围、图像质量和系统小型化的迫切需求,根据指标要求设计了一种大口径离轴三反光学系统。采用离轴多反式结构消除系统遮拦,缩减结构尺寸,通过引入复杂面型实现大孔径设计,在保证足够分辨率的同时,增大光学系统的视场角,以获得更加丰富的目标特征,提高了系统的目标探测和识别能力。与透射式结构与折返式结构相比,大幅度减小了光电产品的体积和质量,有效减轻了伺服设计负荷,具备隐蔽性好、光谱覆盖范围广、透过率高、视场兼容性强的特点。设计结果表明:电视光路在120 lp/mm处全视场MTF>0.2,短波红外光路在60 lp/mm处全视场MTF>0.3,中波红外在30 lp/mm处全视场MTF>0.15,网格畸变小于0.5%,满足设计指标要求。     

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。     

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。     

基于同心透镜的超广角手机镜头设计

设计了一款基于同心透镜的1300万像素超广角手机镜头,得到符合工业生产要求的手机镜头参数。该镜头由4片同心透镜组成,焦距为3.3mm,F数为1.83,视场角为100°,总长5.18mm。研究结果表明,在奈奎斯特频率为223lp/mm处,0.7视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.58,全视场的MTF值均大于0.50;在446lp/mm处,0.7视场的MTF值均大于0.30,全视场的MTF值均大于0.17。各个视场的弥散斑半径均小于2.3μm。全视场内相对照度值均大于0.65。     

双波段光纤内窥镜物镜设计

为适应昼夜侦查、探测目标的需要,设计了可见与近红外双波段光纤内窥镜物镜。在分析其基本原理的基础上,采用反远距形式的像方远心光路结构作为初始结构,通过Zemax软件进行优化设计,给出了一个工作波长0.486 m～0.656 m/0.7 m～1.1 m,焦距1.21 mm/1.22 mm,F数为4,视场角为80,光学长度为8.45 mm/8.47 mm的设计实例。传像束单丝直径16 m,并按正方形排列,据此要求在31 lp/mm处评价像质。设计结果表明,系统满足像方远心光路要求,轴上和轴外像面照度均匀,该镜头可见光部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.81,近红外部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.80。该双波段内窥镜的设计在实现已有内窥镜功能的同时,又提升了探测范围和信息量,能够实现全天候的检测与侦查。     

结构简洁的光学变焦距手机镜头设计

通过利用ZEMAX光学工程设计软件设计了一款适用于手机的2倍内置式光学变焦距镜头。镜头仅由4片非球面的塑料透镜和1片BK7的红外滤光片构成,能够达到285 lp/mm的空间频率,可匹配1.75μm的COMS图像传感器,全视场RMS半径均小于艾利斑半径,全视场最大畸变小于3%,MTF值在1/2奈奎斯特频率处的大部分视场大于0.5,总长度小于9.2 mm。整个变焦距系统结构紧凑,分辨率高,成本低,可满足手机镜头光学变焦的要求。     

静止轨道高光谱海洋水色仪光学系统设计

设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构,口径为4 m,视场为0.64°,焦距为21.6 m,波段范围为400~1 000nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构,视场为240mm,光谱分辨率为10nm.探测器像元尺寸为15μm×15μm,4片探测器交错拼接实现400km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000nm的宽波段内,点列图半径的均方根值均小于3.9μm,静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3lp/mm处大于0.52,各项指标均满足应用要求.     

800万像素手机广角镜头设计

为了满足市场对高像素手机广角镜头的需求,设计出一款800万像素大相对孔径的手机广角镜头。该手机镜头由4片塑料非球面透镜和1片红外滤光片组成,镜头的光圈值F为2.45,视场角为80°,采用Omnivision公司的OV8850型号800万像素CMOS图像传感器,最大分辨率为3 280 pixel×2 464 pixel,CMOS图像传感器的像素尺寸为1.1 μm,奈奎斯特频率为454 lp/mm。设计结果显示,镜头在1/2奈奎斯特频率处,0.7视场内的MTF值均大于0.48,全视场的MTF值大于0.38;在奈奎斯特频率处,0.7视场内的MTF值大于0.15;最大畸变小于2%,因此可获得优良的成像质量。     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。     

10倍全球面红外变焦光学系统设计

针对320240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 m~4.8 m的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内,成像质量满足设计要求。     

超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统

活体人眼共焦扫描成像系统的分辨率受到人眼像差、数值孔径和探测针孔尺度的限制,本文设计了一套超分辨活体人眼视网膜共焦扫描系统,采用自适应光学技术探测并校正人眼像差,结合光学超分辨技术提高系统分辨率,补偿有限尺度针孔对分辨率的影响,并获得活体人眼的实时、高分辨图像. 关键词： 超分辨 共焦扫描光学显微术 眼科光学 自适应光学     

高分辨率红外导引头光学系统小型化设计

设计一种高分辨率中波红外成像制导光学系统。采用折射一次成像的结构形式,初始结构为远摄型物镜组。所设计的系统共用3个光学元件,通过引入非球面和二元光学衍射元件,增加光学设计的自由度,全视场达到10,系统总长为49 mm,焦距为70 mm。并且系统在-40℃~60℃温度范围内具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射极限,最大弥散斑直径小于15 m。适用于像元数为640512,像元尺寸为15 m,F数为2的红外焦平面探测器。系统具有成像分辨率高、视场大且体积小等优点,可用于小型红外导引头中。     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

A desktop X‐ray monochromator for synchrotron radiation based on refraction in mosaic prism lenses

Focusing planar refractive mosaic lenses based on triangular prism microstructures have been used as an alternative approach for wide‐bandpass monochromatization of high‐energy X‐rays. The strong energy dependence of the refractive index of the lens material leads to an analogous energy dependence of the focal length of the lens. The refractive mosaic lens, in comparison with the refractive lens of continuous parabolic profile, is characterized by a higher aperture because of reduced passive material. In combination with a well defined pinhole aperture in the focal plane, the transmittance of photons of an appropriate energy can be relatively high and photons of deviating energy can be efficiently suppressed. The photon energy can be tuned by translating the pinhole along the optical axis, and the bandwidth changed by selecting appropriate pinhole aperture and beam stop. This method of monochromatization was realised at the ANKA FLUO beamline using a mosaic lens together with a 20 µm pinhole and beam stop. An energy resolution of 2.0% at 16 keV has been achieved.     

基于点扫描的超分辨显微成像进展

光学显微镜一直推动着现代科学技术的发展.随着科学的进步,对显微成像分辨率的要求在生物、材料等领域日渐凸显,而常规宽场显微成像一直面临着成像分辨率衍射受限的问题.1968年出现的共聚焦显微镜作为点扫描显微镜的开端第一次实现了远场下成像分辨率的突破,它具有层切性好、信噪比高等优点.在1994年出现的受激辐射荧光损耗显微镜将显微成像能力突破到2.8 nm左右,并成为目前效果最佳、应用较广泛的超分辨显微技术.荧光差分显微和饱和荧光吸收竞争等点扫描技术具有无荧光染剂限制、饱和光强低、光路简单等优势,并且能取得1/6波长的分辨能力,进而在超分辨显微领域仍有着发挥空间.Airyscan技术作为以上方法的补充可以弥补点扫描系统中由于探测小孔半径减小而带来的信号丢失,从而提高成像信噪比和分辨率,但阵列探测器成本较高.上述点扫描显微镜通过改变照明或者探测的方式实现了分辨率突破.本文详细讨论了点扫描超分辨方法的原理、成像效果及面临的瓶颈,并分析了点扫描超分辨显微镜在应用和技术上的趋势.     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

MEMS-based adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy

We have developed a compact, robust adaptive optics (AO) scanning laser ophthalmoscope using a microelectromechanical (MEMS) deformable mirror (DM). Facilitated with a Shack-Hartmann wavefront sensor, the MEMS-DM-based AO operates a closed-loop modal wave aberration correction for the human eye and reduces wave aberrations in most eyes to below 0.1 microm rms. Lateral resolution is enhanced, and images reveal a clear cone mosaic near the foveal center. The significant increase in throughput allows for a confocal pinhole whose diameter is less than the Airy disc of the collection lens, thereby fully exploiting the axial resolution capabilities of the system.     

用于原子力与光子扫描隧道组合显微镜的浸油显微物镜

双功能原子力与光子扫描隧道显微镜（AF／PSTM）用π对称双光束照明方法来消除假象。为改进现有的AF／PSTM系统，提出新的照明系统方案，并设计了新方案中需要的高数值孔径的浸油显微物镜。根据具体的物镜系统参数要求，选择合适的初始结构，用ZEMAX光学设计软件对物镜进行设计、优化和像质评价，设计结果显示浸油物镜的数值孔径大约1.54，可以很好地满足照明系统的需要。