水下成像光学系统设计1长春理工大学光电信息学院，吉林长春1300122中国中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062

在对目前水下成像系统现状进行调研后,分析了影响水下成像距离和成像质量的主要因素,即后向散射。突破了传统水下成像系统分视场、多探测器的成像方式,利用光学设计软件Zemax设计了一款大相对孔径、大视场的水下成像光学系统。系统只采用一个光电探测器,波长486 nm~656 nm,相对孔径1/1.8,视场角120°,采用9片透镜,无非球面,简化了透镜加工过程及成本。中心视场的艾里斑尺寸3 μm,在奈奎斯特频率60 lp/mm,时,各视场的调制传递函数曲线均高于0.7。同时,对大视场系统产生的高畸变进行校正,畸变小于5%,成像质量很好。此系统可广泛应用于水下探测、海洋开发、海底资源勘探、水下反恐等领域。     

基于PSD的高精度光电定心仪

针对目前定心仪精度不高、并依赖于人眼的现状,提出一种基于PSD的高精度定心仪研究方法。采用自准直光路形式和位置敏感探测器PSD对经过被测目标返回的光斑实行定位,并通过读取计算机上的坐标值来判断是否达到准确的定心。文中对定心仪的光学系统进行设计,并运用神经网络的训练来校正PSD的非线性,在测量范围±2 mm~±500 mm内定心精度达到1 μm的设计要求。     

基于谐衍射的液体透镜变焦系统设计

设计了一套基于谐衍射的液体透镜变焦系统。系统对可见光波段成像,视场角2ω为150°,焦距f′为20～120mm,可实现6~X变焦。采用两片液体透镜,利用电润湿原理,无需改变透镜间距,只需调整施加于之上的电压即可实现变焦,同时引入一个谐衍射面来校正大视场所引入的色差。系统的调制传递函数曲线在奈奎斯特频率60lp/mm时,短焦高于0.7,长焦高于0.6,成像质量很好。系统的设计既保证了成像的高清晰度,又减小了系统体积,可广泛应用于内窥镜和智能手机等微型变焦系统领域。     

超高倍变焦光学系统设计

设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明,在奈奎斯特频率50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域。     

基于压电陶瓷的激光频率调谐技术

在充分研究各种激光调谐方法优缺点的基础上,针对其调谐范围、调谐速率、调谐线性等方面存在的不足,提出一种基于压电陶瓷的激光频率调谐技术。该方法将压电陶瓷与光纤光栅激光器的布拉格光栅进行粘结,通过调整压电陶瓷的驱动电压来带动布拉格光栅的伸缩,实现波长（即频率）的调谐。同时,利用虚拟仪器中的计算机软件拟合技术,校正压电陶瓷输入电压与输出位移之间的非线性,使系统呈线性频率调谐,以提高测量精度。实验结果表明,当压电陶瓷的驱动电压变化126 V时,可实现0.8 nm（即100 GHz）的调谐范围。     

高分辨率紫外/可见宽波段显微物镜设计

设计一种用于目标探测的高分辨率紫外/可见宽波段显微物镜。该系统数值孔径NA=0.4、放大率＝10、像高2y=4.7 mm,在248 nm~656 nm的宽波段范围内成像,采用熔石英和萤石两种光学材料对宽波段所引起的色差进行校正。通过对系统的结构优化设计及像差平衡,使传递函数曲线的截止频率高达3 600 lp/mm,且接近衍射极限;分辨率＜0.65 m;点列图均方根半径均小于0.650 mm;场曲小于0.01 mm;畸变小于0.5 m,可完成近紫外、可见光双波段的探测任务。     

基于BP优化算法的PSD非线性校正

针对位置敏感探测器(PSD)固有的非线性,提出一种基于BP优化算法的PSD非线性校正方法。以传统的牛顿算法为基础,推导了Levenberg Marquardt算法,即BP优化算法的相关原理。采用Matlab软件编程,网络采用具有2个中间隐层的结构形式,2个隐层使用的神经元数分别为40和30,最大训练次数取500次,利用sim函数计算并仿真网络输出,网络输出误差均在0.001 mm之内,其中最大误差不超过0.003 mm,实现了对PSD非线性的校正。     

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。     

基于PSD的高精度光电定心仪

针对目前定心仪精度不高、并依赖于人眼的现状,提出一种基于PSD的高精度定心仪研究方法。采用自准直光路形式和位置敏感探测器PSD对经过被测目标返回的光斑实行定位,并通过读取计算机上的坐标值来判断是否达到准确的定心。文中对定心仪的光学系统进行设计,并运用神经网络的训练来校正PSD的非线性,在测量范围2 mm~500 mm内定心精度达到1 m的设计要求。     

三维形貌测量激光雷达光学系统设计

利用差频干涉原理设计了基于迈克尔逊干涉仪的激光雷达测距系统,该系统配合轴角编码器,可实现三维形貌测量。介绍了激光雷达发射系统和接收系统的设计,发射系统根据高斯光束准直理论,确定光学系统的相关参数,设计了可用于2 m~18 m范围内的激光测距系统,同时利用Zemax的宏语言编程,绘制出变倍曲线。接收系统根据激光雷达测距方程,确定目标的相关参数,以获取最大的回波能量,并通过光学系统将回波光束耦合进光纤。该系统实现了发射、接收共光路,可用于轨道客车的子弹头面型的非接触测量及其他复杂的三维面型,具有测量速度快、精度高的特点,有着很广阔的发展前景。