Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°～90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统.该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178...     

超短投影距的投影物镜设计

为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的,先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型,再对投影镜头整体优化,设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2,焦距4 mm,像方视场角128°,像方0.4 lp/mm(截止频率)处调制传递函数(MTF)大于0.6,最大畸变的绝对值0.9%,镜头总长100 mm,最大口径Φ=80 mm。设计结果表明,该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构,全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。     

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。     

Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657 mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°~90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7μm、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3％，像质优良     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

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。     

采用折反式成像的超短焦距投影物镜设计

为了使投影设备具有超短投影距离,实现大尺寸高清显示画面,设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片,在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面,采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律,建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标,运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面,对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数;各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上,水平、垂直TV畸变小于0.5%,投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求,结构简单,易于加工和生产。     

一种大视场高分辨率的复眼光学系统设计

针对传统无人机载成像系统无法实现大视场与高分辨率共存的问题,设计了一款大视场高分辨率无人机载复眼相机系统,该相机由曲面子眼阵列、光学中继系统和图像探测器三部分组成。中继系统使用了非球面设计,减小了系统体积。单个子眼焦距为20 mm,视场角为10°,中继系统为一鱼眼透镜,焦距为7 mm,可将子眼阵列所成焦曲面像转为平面像。总系统视场达到122°×106°,F数为3,焦距为3 mm,在飞行高度1 000 m时对地分辨率为0.8 m。仿真结果显示,各个光学子通道调制传递函数（modulation transfer function, MTF）在208 lp/mm处均大于0.3,系统在给定的公差范围内像质能够满足要求。与现有无人机载复眼系统相比,该文设计的系统视场更大,分辨率更高,且体积更小。     

硫系玻璃在无热化长波红外广角镜头中的应用

设计了一种工作波段为8~12μm、有效焦距为5mm、F数为2、视场角为110°的无热化长波红外广角镜头.根据红外无热化光学设计的基本原理,用了常规红外材料硫化锌、硒化锌和硫系玻璃材料制备的六片镜片,通过合理地分配各个镜片的光焦度以及相互间空气间隔等参量,在全视场角为110°的范围内实现接近衍射极限的成像效果.为了更好地控制系统像差,设计利用了硫系玻璃易于精密模压制备非球面的优点,在两片硫系玻璃镜片上设计了3处非球面.设计结果显示:系统在-40℃~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外成像,光学调制函数全视场内均大于0.4,同时在110°视场角时畸变控制在5%以下;实现了在较大视场角条件下控制红外广角镜头的畸变以及系统无热化等设计要求.该系统体积紧凑、质量较轻,整体设计符合民用红外车载镜头的使用要求.     

双谱段全景电晕探测光学系统

为扩大电晕系统探测范围、提高实时探测能力,采用折反射全景结构建立了一种新型双谱段("日盲"紫外/可见光)电晕探测系统.介绍了双谱段折反射全景电晕探测系统工作原理,并根据系统要求确定了镜组结构及子系统光学参量.在分析折反射全景系统像差特性的基础上,研究了折、反射子光学系统间像差补偿及照度均匀性改善方法.完成了视场角为360°×(45°～90°)、相对孔径1∶2的双谱段全景电晕探测光学系统设计.分析结果表明:"日盲"紫外全景系统各视场能量集中度100%弥散圆直径均小于紫外ICCD像元尺寸30μm;可见光紫外全景系统各视场MTF0.5@83lp/mm.像面照度均匀性优于99.8%;满足了大视场,大相对孔径及高均匀性像面照度等电晕探测需求.     

分段环形曲面的光学描述和设计方法

提出了分段环形曲面的面型描述及设计方法。提出了一种从非球面到分段环形曲面的高精度转换方法来建立初始曲面,并讨论了分段环形曲面的优化策略、实现方法和约束条件。将所设计的分段环形曲面应用于一款超短焦投影物镜的设计和优化中,优化后的系统总长仅为155mm,最大畸变仅为1.36%。研究结果表明,该新型曲面可以提高光学系统设计的自由度和灵活性。     

一种新型离轴三反式光学系统的设计

在三反射镜光学系统的几何光学理论的基础上,设计了一个焦距f=1000 mm,相对孔径D/f=1/4,视场角2w=3°的离轴非球面三镜反射系统,讨论了优化方法和各参量对系统结构和像差的影响.     

折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制

针对同轴两反射镜光学成像视场角受限、大视场角下成像对比度较低的问题,采用透镜组作为像差校正组,合理分配光学系统的光焦度及间距,来扩大两反射结构的成像视场角,提升相机全视场内的成像质量。以某一工程应用需要为例,设计并研制了焦距为750 mm、视场角2ω=3.45°、全视场平均传递函数在108 lp/mm处优于0.2的相机光学系统,且在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,优化设计了次镜遮光罩以实现杂散光抑制。采用TracePro软件进行相机杂散光环境建模仿真,结果表明:在非成像视场角内的杂散光点源透过率(PST)的量值范围为10-3～10-6。系统满足传统地面目标探测成像要求,验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性,并为商用同轴折反射光学系统设计及优化提供了一定的参考。     

手机虹膜识别镜头设计

随着近年来图像传感器的快速商用化以及生物识别算法的发展,虹膜识别功能得以应用于移动终端设备。获取虹膜图像是虹膜识别的关键一步,运用ZEMAX光学设计软件设计了一款适用于手机的虹膜识别镜头。该镜头采用豪威科技公司OmniVision_OV2281传感器,采用三片式非球面光学塑料设计,F数为2.3,全视场角为34°,在1/2奈奎斯特频率220 lp/mm处MTF值均大于0.39,且系统总长仅3 mm。根据ZEMAX像质评价方法以及公差分析结果可知,该镜头各项光学指标优良,具有像质好、体积小,质量轻、价格低、容易加工等特点。     

用于光纤传像束的大视场低畸变物镜设计

在大截面传像束前置光学系统设计中,采用负-正型式的像方远心光路结构,在像差校正过程中引入偶次非球面和弯月形厚透镜,可较好地解决镜头轴外像差校正与像面照度均匀性问题,同时使镜头结构紧凑、小型化。通过理论计算和优化,给出工作在660 nm,焦距f=1.22 mm,相对孔径D/f=1∶3,视场角2为60的镜头设计实例。设计结果表明:该镜头各视场在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.8,全视场畸变小于0.05%,场曲低于50m,像面照度均匀,像质优良,满足像方远心光路要求,可用于实际观察和测量。     

高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计

设计了一个F数为2,工作波段为3.7～4.8μm,全视场2ω=111.2°的高分辨率制冷型中波广角红外成像光学系统。该系统采用二次成像构型,通过Si、Ge、ZnSe三种材料六片式对称布局,利用折/衍混合器件及非球面,实现了光学被动消热差设计,使系统在-55℃至+80℃的宽温范围内,在空间频率为33lp/mm处的光学传递函数(MTF)均大于0.4,系统在15μm的像素尺寸内,能量集中度大于70%;采用f-θ设计,使成像系统对不同视场具有相同的角分辨率;通过引入光阑像差和控制像方视场角,使像面具有较好的均匀性,边缘视场最低相对照度为中心视场的90.9%,且具有近100%的冷光阑效率,同时,系统具有较好的冷反射抑制效果,该光学系统适用于像素为15μm,分辨率为640pixel×512pixel的中波制冷探测器。     

大视场复眼结构图像处理算法研究

针对多维子眼成像通道曲面排布组成的大视场复眼结构,提出了一种切割-旋转-映射的图像处理算法来实现多通道图像的大视场拼接.通过确定复眼结构的排布特征,分析了各成像通道捕获的子眼图像之间的相互关系,去除相邻子眼图像之间的冗余部分,并运用几何光学及成像光学原理,研究了子眼图像与三维映射空间之间的关系,从而实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.实验制备了包含37个镜头且视场角可达118°的人工复眼结构,并运用提出的图像处理算法处理制备的复眼结构捕获的子眼图像.结果表明:算法处理图像过程中不损失图像的分辨率,可以有效地实现多通道图像的大视场拼接,且获得的图像可视性强,满足实用化要求,可进一步推进曲面复眼成像系统的应用.     

超广角数字通用型投影镜头设计

为了解决现有超广角数字投影镜头存在的缺陷和不足,并与不同类型和规格数字投影机的超广角投影匹配,给出了8组9片式超广角数字通用型投影镜头的光学系统设计.镜头焦距为8.76mm、全视场角达到97°、F数为2.12、后工作距离大于34mm、最大口径小于96mm、总长小于200mm,结构中加入了1个偶次非球面,较好地校正了轴外像差与畸变.用减少透镜数量和增大相对孔径的办法提高了像面照度;通过增大光阑慧差及减小像方半视场角,提高了像面相对照度,其值达97.46%以上.通过合理确定棱镜等效厚度及调整结构布局,使结构适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~23mm.设计的镜头分辨率达120lp/mm、全视场相对畸变绝对值小于1.5%.结果表明:该镜头可满足0.55in~0.76in 3LCD和1DLP类型的各种数字投影机的使用,最小投射比可达0.53∶1,投影画面偏移量最大达到389mm,结构简单,体形小,成本低,成像质量好,可批量化生产.