激光位移传感器的光学系统设计

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为（50±10）mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scbeimpflug条件。     

观瞄系统光轴平行性原位检测的光学系统设计

为了实现在车载观瞄系统原位不解体条件下快速、准确的性能检测,利用离轴反射式大口径平行光管搭建光学系统。基于TracePro实现对该光学系统光线追迹,对光斑质量和精度计算进行了研究。在分析离轴反射式平行光管性能和结构的基础上,设计了测试装置的光学系统;分析了该光学系统主要的误差来源及大小,结合误差合成理论计算其检测精度。结果表明:成像在该光学系统焦点处的光斑能量分布较为集中,距中心点0.6mm范围内的光斑能量占总能量的81.39%,该光学系统的检测精度能够达到2.9226″。满足了对车载观瞄系统光轴平行性原位检测时的精度要求,测试装置的架设、校准也较为容易。     

激光发射光学系统设计探讨

本文重点分析讨论激光发射光学系统的设计特点，如系统数值孔径的选择，放大率与折射之间的关系，正负透镜间的间隔与折射率的关系以及折射率民剩余像差之间的关系问题，用其指导设计，设计出输出能量高和发射角小的激光发射光学系统。     

一种新型微小视频卫星光学系统设计

基于Ritchey-Chretien （R-C）光学系统,采用Zemax软件设计次镜为类曼金反射镜的折反射式光学系统。系统的焦距为3 000 mm,视场角为1,相对孔径为1/8,工作谱段为450 nm~900 nm。结果表明,截止频率为50 lp/mm处的MTF值为0.55,接近衍射极限,畸变小于0.022%。类曼金镜的非球面反射面与主镜构成R-C光学系统,消除了系统的球差和彗差,折射面分担次镜的光焦度,减小了非球面的非球面偏心率。类曼金反射镜的加入,将次镜非球面偏心率的平方由4.356减小到1.940,而且系统总长度由600 mm减小到550 mm。     

微小型无线光电传感网络的实验系统设计

基于nRF905低功耗、高灵敏度无线收发的一体芯片实现了一种微小型无线光电传感网络实验系统。讨论了实验系统的硬件节点、网络通信协议及软件的设计。实验结果表明,在19.2kbit/s速率下,系统中任意两节点可实现30m(室内)至150m(室外空旷地带)范围内的无线通信。该系统具有硬件设计简单、软件及其协议编程方便等优点,可微型化、低成本的应用于无线光电传感器网络系统。     

红外气体传感器多光路光学系统设计

在实验研究的基础上分析了采用红外发光二极管为光源的气体传感器在设计中应考虑的几个因素。对四种设计方案进行了比较 ,从而提出了双光源四探测器的新型多光路光学系统设计方案。采用这种光学系统不但可以对温度、环境、气室尘染、器件失配等引起的干扰进行补偿 ,而且还可以对由光源发光功率和探测器响应度变化引起的传感器灵敏度的波动进行补偿。对新光学系统进行的实验分析表明 ,该光学系统的长期工作稳定性和温度稳定性都优于其它设计方案     

基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计

分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性,结合两者的优势,设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上,利用直线结构取代了大三角的光路布局,形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜,与光轴成45°角放置,将会聚透镜和成像透镜合为一枚,并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴,简化了系统结构,减小了仪器体积,同时,推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真,系统采用单透镜的结构形式,前表面为Forbes非球面,入瞳直径像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点,通过实验与Keyence激光位移传感器比较,该系统能够保证测头分辨力1μm、综合检测精度±2μm的技术指标。     

激光半主动比例导引头光学系统分析与设计

通过对激光半主动比例导引头工作原理和导引头光学系统的特点进行分析,并结合总体设计要求,提出设计一套波段为1.064 m,焦距38 mm, 瞬时视场3,线性区1的激光半主动比例导引头光学系统。用Zernike多项式模拟一个带有较大垂轴球差的波前,叠加在入射波面上,然后对系统进行优化,通过调整加入垂轴球差的大小来控制成像光斑的大小及光斑的均匀性,确定光斑直径为1.5 mm。     

传感器用于微小位移测量的实验设计

许多物理量诸如加速度、压力、应变、振动等都可以通过测量微小位移来间接测量. 讨论了利用霍尔、 电感式、电容式传感器实现对微小位移测量的实验原理、实验方法及实验数据的分析讨论     

微小型光栅光谱仪光学系统的特点与光谱分辨率的提高

微小型光谱仪的设计制作可以采用多种方法,其结构特点和光谱分辨率也各不相同,目前实用高光谱分辨率微小型光谱仪采用的是光栅色散型光学系统.简要回顾了微小型光谱仪的发展过程,分析了典型的光栅色散型微小型光谱仪采用的光学系统,如基于罗兰圆的光学系统,基于Czerny-Turner的光学系统的特点,总结了提高微小型光栅光谱仪光谱分辨率采用的方法和技术,特别是解决光谱仪的微小型化和光谱分辨率之间的矛盾以及测量光谱范围和光谱分辨率之间的矛盾的方法,从而为新型微小型光谱仪的研制提供经验和借鉴.     

大量程激光位移传感器的成像系统设计

为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题,设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理,结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构,利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真,完成了系统优化和性能分析,实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明,在测量范围±500 mm内,系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点,可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。     

基于ZEMAX的二次反射式激光聚焦系统设计与模拟

反射式激光聚焦系统使激光推力器具备了推力矢量控制能力,并且聚焦系统不存在球差,具有广阔的应用前景。针对三种二次反射聚焦方式,抛物面-双曲面、平面-抛物面、抛物面-平面,在建立的聚焦系统坐标系下,通过几何光学方法分析了两个反射面母线参数之间的数学关系,以及聚焦特征参数与两个反射面母线参数的关系,并建立了程序设计流程。针对特定的聚焦特征参数设计要求,在光学软件ZEMAX中进行了反射面的建模和聚焦效果的验证,为下一步开展聚焦性能的研究打下了基础。     

Diffractive micro-optical elements for implementing hollow beam and bi-focus simultaneously

We design diffractive micro-optical elements (DMOEs) with sub-wavelength characteristic size based on a half-π-phase shifting scheme, with the aim of realizing a hollow beam and bi-focus simultaneously. The optical properties of DMOEs, such as the positions of the real focal planes, the aspect ratio of the hollow beam and the diffraction efficiency, are investigated by using the rigorous electromagnetic theory and the boundary element method. The numerical results show that a well-defined hollow beam and bi-focus are achieved simultaneously. Further analysis of the interference between dual-DMOE shows that the interference is much less than that of a conventional dual-microlens. It is indicated that the designed micro-optical element array can not only implement hollow beam and dual focus, but also suppress the interference effect significantly.     

太赫兹成像准光学系统设计

为了设计出适用于太赫兹波段成像的光学系统,综合分析了各种成像系统的特点,其中离轴三反射式光学系统具有独特的优势。通过对离轴三反射式光学系统的设计原理、设计方法和步骤的详细介绍,利用ZEMAX光学设计软件,通过编写简单的ZPL宏指令以及光阑和视场离轴,设计了工作在太赫兹波段、入瞳大小250 mm、瞬时视场1 mrad、焦距800 mm、F数3.2的系统,实现了可用于太赫兹波段无中心遮拦的离轴三反射式准光学成像系统设计。     

Theoretical study of micro-optical structure fabrication based on sample rotation and two-laser-beam interference

A method for fabricating a micro-optical structure based on sample rotation and two-laser-beam interference is proposed. The rotation process is analyzed using the coordinate transformation in matrix presentation and the theoretical expressions of the optical field distributions corresponding to different sample rotations. By rotating the samples and changing the laser wavelength, various special micro-optical structures can be obtained, such as equally spaced concentric rings and irregular trapezoidal lattices; these structures are demonstrated by simulating the corresponding optical field distributions. The proposed approach may be developed into a low-cost laser interference lithography technology for the fabrication of various micro-optical structures.     

太赫兹成像准光学系统设计

为了设计出适用于太赫兹波段成像的光学系统,综合分析了各种成像系统的特点,其中离轴三反射式光学系统具有独特的优势。通过对离轴三反射式光学系统的设计原理、设计方法和步骤的详细介绍,利用ZEMAX光学设计软件,通过编写简单的ZPL宏指令以及光阑和视场离轴,设计了工作在太赫兹波段、入瞳大小250 mm、瞬时视场1 mrad、焦距800 mm、F数3.2的系统,实现了可用于太赫兹波段无中心遮拦的离轴三反射式准光学成像系统设计。     

500万像素手机镜头设计

 利用ZEMAX光学工程设计软件,设计了一款500万像素的手机镜头。该镜头由4片塑料非球面透镜和1片红外滤光片组成,其光圈值F为2.85,视场2ω为60°,采用Aptina公司的一款500万像素7.94mm(1/3.2)英寸CMOS作为该镜头的图像传感器,该图像传感器的像素颗粒大小为1.75μm,截止频率为285lp/mm,即为奈奎斯特频率。设计结果显示,该镜头在奈奎斯特频率处,0.7视场以内的MTF值大于0.3,在奈奎斯特频率1/2处视场的MTF值均大于0.5,波前均方差(RMS wavefront error)小于0.1,畸变小于1%。     

用于光纤熔接系统的纤芯检测镜头设计

光纤已广泛应用于当今社会的信息传输领域。为了满足长距离光纤传输中高质量光纤熔接的需要,介绍了一个应用于光纤熔接系统的透射光纤纤芯检测系统。该系统中的核心器件是一组能对光纤纤芯成像的特殊镜头。借助于ZEMAX软件,设计了这组检测镜头。该镜头具有8倍放大倍率、长工作距离、短结构、高精度等特点。论述了镜头的设计方案和设计过程,并给出了满足要求的设计结果。通过在LightTools软件中对整个系统检测结果的模拟,证明了该设计的可行性。     

工作距离可调的激光显微操纵器光学系统设计

考虑传统激光显微操纵器的缺点,采用反射式结构设计了新的激光显微操纵器,以提高激光显微操纵器输出光斑的质量。用He-Ne激光作为指示光束,CO2激光作为工作光束,对两种光斑的重合性、光斑大小进行了优化设计;利用ZEMAX软件中多重结构的功能使系统设计满足200～400 mm工作距离可调的要求。对设计的系统进行了实验,给出了光学系统图、能量图及点列图表。实验结果表明,在规定的工作距离内,系统的光斑重合性,光束均匀性、稳定性及可靠性等方面均有了很大提高。该激光显微操纵器与手术显微镜结合,有术野清晰,操作安全的特点,可满足医疗的长期使用要求。