一种非对称双面离轴非球面反射镜检测补偿变焦光路设计方法

随着多波段共孔径高精度探测技术的发展,非对称双面离轴非球面反射镜因具备突出特点而发挥着越来越重要的作用,但高精度检测是限制其使用的关键步骤,而针对非对称双面离轴非球面反射镜检测一般还是分别使用两套补偿器单独完成,效率较低且切换补偿器会降低检测精度.针对这个问题,本文以干涉检验法中的折射式Offner补偿法为基础,按照离轴孔径光阑使光线离轴并分光、共用透镜组前后移动变焦及反射镜折叠光路的思路,提出一种变焦零位补偿装置光路设计的方法,并针对实例使用光学设计软件进行仿真设计实验,实现使用一套变焦零位补偿装置完成对非对称双面离轴非球面反射镜正反两个面的高精度检测光路设计.针对设计结果进行公差分析,分析表明设计满足制造装配精度要求,验证了该方法的可行性,为非对称双面离轴非球面反射镜高精度检测提供了一种新思路.     

高屈光度眼用透镜的非球面化模式

本文研究高屈光度眼用透镜消除离轴像散的非球面化模式。借助数字例子的设计计算结果表明，眼用透镜的非球面化，不仅使“西林”椭圆曲线的图解技术得到了扩展，而且能利用非球面的偏心率有效控制高级像散，提高视觉成像质量。     

折反式超短焦变焦投影镜头的设计

为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面,降低超短焦投影的加工成本和装调难度,设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片,16片球面折射透镜和一片非球面反射镜,非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm,投影距离是424～509mm,投射画面尺寸是2.286～2.794m(90～110in),视场角150°,投射比为0.21,水平、垂直TV畸变小于0.25%,相对照度大于90%,MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求,全玻璃透镜的设计易于加工和生产,有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M1表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M2和第三片反射镜M3表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60lp/mm时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

多椭球投射式LED前照灯光学设计

LED光源具有寿命长、点亮速度快、节能等优点,非常适合作为新一代的汽车前照灯的主要光源。研究了使用LED光源和多椭球反射镜的投射式前照灯的设计方法,建立了光学系统模型。阐述了反射镜、挡板、透镜的设计思想。采用Cree xre-7090 LED作为光源,并在此基础上采用ASAP进行了计算机模拟。结果表明,可产生宽广但不高的光型,明暗截止线清晰。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

神光Ⅲ强激光光束远场诊断系统光学设计

介绍了神光Ⅲ光束远场诊断系统的基本组成,光学系统的工作原理,主要论述了光学系统的设计指标、设计思想、设计结果及其像质评价.研究表明:利用离轴非球面反射镜能很好地实现强激光光束的取样、缩束和衰减.通过切换弯月形离轴非球面透镜可分别实现对基频、三倍频激光光束的远场诊断.     

新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。     

基于三片曲面反射镜的离轴投影成像系统

采用调制传递函数和波前像差分析方法,设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80,相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M₁表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度,而第二片反射镜M₂和第三片反射镜M₃表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析,三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好,调制传递函数实现60 lp/mm 时60%以上,畸变小于2.0%.与其它文献相比,基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差,缩短系统厚度,增大系统的可视角与相对孔径.     

用于周向探测的均匀配光非球面柱透镜设计

针对周向探测系统对探测激光光束发散角大小和能量均匀分布的要求,提出了一种基于非球面柱透镜阵列的分区探测方案。探测系统光源为快轴准直的半导体激光器阵列,激光慢轴由非球面柱透镜阵列进行配光。提出了平行光线光源近似方法来简化复杂的高斯光束相关计算,并最终得到非球面曲线方程。应用上述方程确定的非球面柱透镜阵列,得到发散角可调且功率密度关于弧矢面平面角均匀分布的出射光束,均匀度可达98.64%。为减小光学系统公差的影响,设计了波浪型结构透镜阵列。通过误差分析可知:透镜材料的折射率误差只影响发散角的大小而不影响配光的均匀性;波浪型透镜阵列替代传统柱透镜阵列,避免了相邻透镜之间的楔形结构,减小了制造难度和制造误差;线光源长度与透镜周期对应,使得装配时透镜偏心和倾斜产生的公差影响减弱。     

COB光源的窄光束均匀照明设计

为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明:窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。     

Aberration correction of a single aspheric lens with particle swarm algorithm

In order to design a single aspheric lens to meet the requirements of spherical aberration, the particle swarm algorithm is applied to the aberration correction for a single aspheric lens. A mathematical model is constructed, and a program code is developed. Merit functions in an optical system are employed as fitness functions, which combined coefficients of a higher order polynomial equation, a reciprocal of radius of curvature, the conic constant, thicknesses among lens surfaces and refractive indices regarding an optical system. By using this function, the automatic correction of spherical aberration is carried out. The example for a single aspheric lens design using particle swarm algorithm shows that PSO as a tool of the spherical aberration correction for a single aspheric lens is simple and effective, and easy to find a series of good design results. The asphere's more complex surface profile can reduce or eliminate easily spherical aberration at different incidence heights at one time. The automatic design and analysis of a single aspheric lens using this method from the view of a particular optical design problem are presented.     

高变倍比数码变焦镜头设计

为提高变焦距系统的工作性能,使其在大视场时仍具有良好的像质,且系统结构简单,易于机械设计、加工及装调,在设计中引入了传统球面光学设计与非球面相结合的设计思想。选择4个焦距位置进行设计计算,用光学设计软件ZEMAX上机调试,设计了焦距为6.9mm～91.6mm,视场5°～60°的变焦系统,整个系统由4组12片透镜组成,其中包括3个非球面,系统具有变倍比高、视场大等特点。设计结果表明：在设计中采用非球面可使系统结构紧凑,系统成像质量得到提高。     

影碟机激光头非球面物镜的设计

本文首先介绍了影碟机激光头的工作原理,然后根据激光二极管的发光特性及刻录在光盘上表示信息的坑槽的细微结构,提出了使激光头物镜满足工作需求的光学设计要求。在非球面物镜的总体设计阶段,对物镜的焦距、口径等系统性能参数进行了确定,并针对系统要求提出需校正的像差种类。在非球面物镜的光学设计阶段,以总体设计的初始结构数据为基础,利用计算机进行非球面物镜的设计和优化,得到了满足各项要求的设计结果。文中给出了所设计的非球面物镜结构参数及像差曲线,并就该塑料镜片的工艺性进行了初步讨论     

Optical design for enhanced prism type fingerprint scanner image contrast with asymmetrical aspheric lens

The design of optical prism fingerprint scanner with aspheric lens is researched. We propose a modified structure for optical prism fingerprint scanner, which has an asymmetrical aspheric lens on the output plane. It is numerically shown under elliptic valley similar fingerprint model that the optical image qualities of such a scanner are better than the scanner with symmetrical aspheric lens. When the fingerprint range is 15 mm, the results show that the minimum image contrast is 0.49 for an optical prism with asymmetrical aspheric lens, much better than a symmetrical aspheric lens with 0.20. The relative illumination variation is from 0.62 to 1.00 for optical prism with asymmetrical aspheric lens, and for the symmetrical aspheric lens it is 0.35 to 1.00. We conclude that an optical prism with asymmetrical aspheric lens is better than an optical prism with symmetrical aspheric lens.     

用粒子群算法进行单个非球面透镜的球差校正

为设计出符合球差要求的单个非球面透镜,把粒子群算法应用到单个非球面透镜的球差校正中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计关于非球面高次多项式的顶点曲率半径,高次多项式各项系数,透镜面之间的距离和玻璃折射率等光学系统结构参数的适应度函数,用这个函数作为评价函数,实现对球差的自动校正.给出用粒子群算法进行单个非球面透镜设计的实例,结果证明:粒子群算法用于非球面透镜的球差校正简单有效,能同时校正不同入射高处的球差,且容易发现一系列好的设计结果.从实际光学设计角度呈现使用这种方法进行单个非球面透镜的自动设计分析.     

漫透射成像法激光强度时空分布测量装置

 提出用CCD漫透射成像法测量激光强度时空分布和激光功率,给出了测量原理, 简要叙述了装置总体结构,介绍了测量装置各部分,给出了散射屏的散射特性,重点分析了光路布局、镜头焦距、光圈、景深、滤光片的参数选择,介绍了数据处理软件,给出了激光强度分布测量实验结果。结果表明：漫透射成像法测量激光强度时空分布是可行的,该装置测量强度分布分辨力高达5 mm;测量功率准确、可靠,测量不确定度小于6%,使用方便,实现了在小空间内对大光斑进行功率和强度分布的同时准确测量。     

猫眼激光谐振腔横模选择特性研究

将猫眼逆向器作为激光谐振腔的一个腔镜组成猫眼谐振腔。介绍了猫眼逆向器的结构,阐述了猫眼逆向器中凸透镜和凹面镜的间距改变时猫眼曲率半径的相应变化,并通过有效地控制该间距来选择激光横模,从而保证基横模输出。在激光谐振腔衍射积分方程的基础上,运用牛顿柯特斯数学方法,对不同参量下的猫眼激光谐振腔的横模状况进行分析,得出了各阶横模对应的特征值和功率损耗,计算出保证基横模输出的参量,并与实验对比,得到了一致的结论,为激光器的横模选择和控制提供了一种简便易行的新方法。     

高陡度精密光学非球面CAM系统

本文提出了采用计算机控制光学表面成型（ＣＣＯＳ）技术用于高陡度精密光学非球面成型的一种方法，并阐述了ＣＣＯＳ的工艺流程，设计了相应的ＣＡＭ系统。该系统具有五个运动自由度，通过使一个小磨盘作三维平动并同时摆动，旋转工件而使磨头能始终垂直于加工点表面，以利加工高陡度非球面。此系统的加工口径可达φ３００ｍｍ，相对孔径Ｆ＝１．５。本文还介绍了自动编程系统的组成及有关后置处理算法