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。     

折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计

投影式头盔系统具有成像质量高,结构轻便等特点。分析投影式头盔光学系统设计参数的选择原则,并基于投影式物镜引入对角为1.55 cm的新型OLED显示器作为图像源,采用折射/衍射混合结构来减轻光学系统的体积和重量。通过ZEMAX软件对系统进行优化,设计得到一款质量仅1.35 g,直径11.32 mm的超轻小型三片式头盔显示器光学系统。系统中心视场MTF在32lp/mm处达到了0.52,在该空间频率下对应人眼的分辨率为1.85,′在大视场处,子午和弧矢MTF也均大于0.2,分辨率满足SVGA显示模式要求。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

折衍射混合环形孔径超薄成像光学系统设计

为了突破基底材料的选择局限性,实现成像波段范围内的高质量成像,在环形孔径超薄成像系统引入成像衍射光学元件,设计了以光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底材料、焦距为35mm、有效孔径为29 mm的4次反射结构的折衍射混合环形孔径超薄成像系统。该系统倍率色差小于2.2μm,在空间频率为166lp/mm时的MTF值大于0.4,实现了高质量成像。对环形孔径成像系统分别进行了公差分析与热分析,结果表明,在空间频率为166lp/mm时,各视场的子午和弧矢衍射MTF值大于0.2,在温度0℃～40℃时,各视场的子午和弧矢MTF值大于0.28.     

便携式投影仪投影物镜设计

针对当前投影仪光源功耗大,光投影稳定性差,系统结构大的缺点,利用Zemax软件,设计出了一款大视场,短焦距,结构紧凑,适用于便携式投影仪的投影物镜系统。经过优化处理,最终获得的结构具有良好的成像质量,在空间频率为80 lp/mm处中心视场MTF≥0.7,0.8视场MTF≥0.6,边缘视场处MTF≥0.48,畸变小于3%,满足给出的设计指标。并且在规定和要求的像元尺寸范围内能量集中度大于85%,照度曲线0.8倍视场以内整体高于90%,能量集中度高,照度均匀性好,与便携式投影仪能很好地搭配使用。     

一种紧凑型光纤显微物镜的设计

针对光纤通信网络建设及运维任务对光纤接续机器提出的便携小巧、精准可靠的需求,开发了一种结构紧凑、成像清晰的光纤物镜。基于光学理论和实际使用要求对物镜的基本光学参数进行了分析,利用Zemax软件设计出一种紧凑型高分辨率的光纤显微物镜,该物镜包含5片常用牌号玻璃球面透镜,放大倍率为6×,数值孔径0.24,共轭距离47.3 mm。系统具有良好的成像质量,0.7视场内在奈奎斯特频率60 lp/mm处MTF大于0.36,在频率90 lp/mm处MTF大于0.15。对设计结果进行了蒙特卡罗公差分析,良品率超90%,装调较宽松,成本低廉,可进行批量生产。另外,针对设计好的物镜进行成像过程仿真,结果显示待接纤芯特征清晰锐利,有利于机器对准接续。     

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。     

光纤传像束的物镜设计

分析3种像方远心系统的结构和用途。在传像光纤物镜的设计过程中,分别采用传统单组像方远心系统和“负-正”型式的像方远心光学系统结构,通过比较发现“负-正”型式的像方远心系统的结构能很好地解决镜头轴外像差校正和像面照度均匀性的问题,并且镜头结构紧凑。使用ZEMAX光学软件进行优化,给出工作波长(0.38～0.78)μm,焦距1.92mm,视场角60°,相对孔径为1∶4的镜头设计实例。设计结果表明:此镜头在46lp/mm处的MTF大于0.8,像质优良。     

指纹及手指静脉图像复合采集光学系统设计

针对生物特征的多模识别技术,设计了一款用于指纹及手指静脉图像复合采集的光学系统。用于采集指纹和手指静脉图像的光学镜头分别由3片和12片球面透镜构成,工作波长分别为650 nm和850 nm,成像器件分别采用640 pixel×480 pixel CCD和640 pixel×512 pixel非制冷红外探测器。使用Zemax软件对该系统的光学结构进行了设计和优化。像质评价结果表明:指纹图像采集镜头在空间截止频率67 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.6;手指静脉图像采集镜头在空间截止频率30 lp/mm处,调制传递函数MTF值大于0.8;两镜头各视场弥散斑均方根半径远小于成像器件像元尺寸,接近衍射极限,且成像畸变均小于0.5%。实验证明该系统采集到的图像质量优良,分辨率高。     

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。     

宽覆盖高分辨率机载相机光学系统设计

针对机载相机广域高效航拍作业需求,采用新型级联光学成像结构,设计了一种宽覆盖高分辨率机载相机光学系统。该系统由对称前置同心物镜和中继转像透镜阵列组成,对称前置同心物镜获取剩余像差均匀的宽视场曲面像,中继转像透镜阵列对该曲面像进行视场细分、剩余像差校正及中继成像。所设计的机载相机光学系统焦距为60 mm、F数为3.4、视场角可达132°。基于一阶理论和像差特性,在不同飞行高度对地观测时,研究了机载相机光学系统的成像质量与宽视场曲面像的关系,获得系统在不同飞行高度实现清晰成像的方法。通过像质评价,结果表明,优化设计的系统在低空、中空及高空进行对地观测时,像面光线追迹点列图方均根半径均优于1.6μm,在奈奎斯特频率为230 lp/mm处,调制传递函数均达0.4,系统成像性能优异且像质均匀。新型级联光学成像系统适用于不同飞行高度的机载相机。     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

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。     

混合仿生鱼眼-复眼的广角高清成像系统

基于多尺度成像理论,采用混合仿生鱼眼-复眼结构,实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜,收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上;次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列,对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能,后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°,全视场内角分辨率优于10″,而畸变小于5%;系统具有大景深特点,不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像,可广泛应用于侦查监控等领域。     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

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。     

6 mm~60 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大口径百万像素变焦距光学成像镜头,采用0.85 cm(1/3英寸)CCD接收,像元大小为3.75 m。镜头在短焦、中焦、长焦的位置时F数分别为1.6、2.1和2.4。变焦系统采用四组元组合形式,与传统的变焦系统相比,该系统采用第4组元作为补偿组。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,系统均采用球面透镜进行设计。镜头轴上视场在133 lp/mm处大于0.3,轴外0.7视场在133 lp/mm处大于0.2,系统的最小后截距大于9 mm,满足装配要求。最后采用多点拟合绘制出此系统的变焦凸轮曲线。     

头盔式单目微光夜视仪中非球面物镜系统的设计

为提高头盔式微光夜视系统的成像质量，并满足整个夜视系统体积小、重量轻的指标要求，提出了非球面物镜系统的设计。通过在物镜系统中引入高次项非球面结构，不仅使系统成像质量在空间频率为40lp/mm时，轴上传递函数可以达到0.62，轴外可以达到0.42；而且光学系统的质量约为300g，物镜由原来的9片减少到6片，仪器总长由原来的81mm减少为72mm。设计结果表明，在头盔式单目微光夜视系统中采用非球面结构可以使系统的成像质量有很大提高，并可使系统结构大大简化。