微光全景光学系统设计

根据微光像增强器成像特性,设计了微光全景光学系统,采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法,并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2.43 mm,工作波段0.4 m～0.9 m,有效工作F数1.5,水平视场360,垂直视场30～100。设计结果表明,系统全视场f 畸变小于6%,调制传递函数在24 lp/mm处大于0.3,系统指标满足成像要求。     

大型非球面环带精磨方法

国内大型非球面的加工流程一般是先精磨成最接近球面,然后抛光修磨成非球面。由于这种方法抛光效率低,所以整个流程的加工周期很长。提高加工效率的方法之一是在精磨阶段就将其修磨成非球面,为此提出了一种采用较大磨盘,由自校正模糊补偿控制模型控制环带精磨非球面的方法。试验结果表明,采用该方法可以得到精磨成型非球面,从而提高了大型非球面的整体加工效率。     

轴对称非球面光学系统自动设计的探讨

本文讨论包括轴对称高次非球面在内的光学系统自动设计,介绍程序中的某些处理方法,并给出计算实例子以说明。     

含非球面光学系统多功能光学设计程序

本FORTRAN程序普适于球面和含有非球面的光学系统.用它可在微机上完成包括自动设计和OTF计算在内的全部设计过程.自动设计子程序贯穿了复合优化思想;提出了新的病态处理方法;实现了自动设计与OTF评价的方便结合,与传统设计手段的方便结合.     

全景三维立体头盔显示光学系统设计

为了满足全景三维立体头盔显示器(HMD)对大视场(FOV)、小畸变、高分辨率以及轻量化的要求,设计了全景三维立体HMD的目视光学系统。采用4×3阵列式排列的12组相同的FOV角为33°×24°的高质量成像的目镜光学系统拼接成单眼目视光学系统,实现系统的大FOV设计。利用二元衍射面和非球面校正目镜光学系统的初、高级单色像差以及色差;使用有机光发射二极管(OLED)微显示器作为图像源,设计结果表明:单眼目视光学系统水平FOV达到120°,垂直FOV为60°,角分辨率为43pixel/(°);传递函数在45lp/mm处轴上FOV高于0.68,周边FOV高于0.45,系统畸变小于0.2%;系统的双目FOV为160°×60°,双目FOV重叠为80°×60°,系统重量约为91.2g。系统设计满足头盔显示光学系统的成像要求,并且实现了系统的轻量化以及低成本。     

偏轴非球面红外光学系统的自动设计

本文给出了矢量形式的折、反射定律的完整表达式. 推导了解析形式的球面、非球面、柱面、平面以及折射和反射通用的间光线追迹公式, 处理了非同轴系统. 目前国内外采用的Fder 公式[1], , 相当于本文公式组的一个特殊情况—共轴球面系统. 此外, 使用本文的公式组, 能自动排除Feder 公式中可能出现的光线与曲面的不正确交点。五年来的实践证明, 本文的公式组使用方便, 精度较高, 是值得推广的. 应用上述公式组, 以点列图作系统评价函数, 用阻尼最小二乘法自动设计了偏轴球面折、反射系统和非球面双反射系统, 效果较好. 此外, 还推导了光束截面最小的位置, 以便安放红 外探测器. 关键词：     

一种塑料非球面门镜光学系统的设计

介绍了一种塑料非球面门镜的设计原理及方法。把门镜视为逆向伽俐略系统来确定外形尺寸参数 ;仔细选取系统的光阑位置 ,选取二次曲面的系数及二次曲面的位置 ,可以校正系统的参差及像散。设计的门镜比现有的多种专利门镜结构简单、成像清晰。其视场中心像质达到了人眼明视距离处的极限分辨率。     

机械手修正大口径非球面环带误差

在大口径非球面加工中,采用能动磨盘进行加工,加工效率较高,但能动磨盘加工也会存在着些问题,如严重的边缘效应因为磨盘和工件不能完全的吻合,加工后会存在环带误差和局部误差,表现为镜面的误差分布不对称,也就是通常所说的存在着严重的慧差。在能动磨盘加工后,可以采用机械手小工具对工件的环带进行平滑去除镜面局部高点,修正镜面环带误差,使得镜面误差成对称分布,可以更好地利用能动磨盘进行加工。介绍了机械手小工具的结构,通过实际的加工情况建立小工具磨盘的去除函数模型,并进行了仿真计算。通过与实际去除环带的实验对比,理论仿真和实际加工吻合较好,取得了显著的修正效果。     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。     

辛卜森积分在非球面光学系统自动设计中的应用

为了克服非球面（特别是高次非球面）光学系统自动设计中的严重困难，我们运用辛卜森数值积分及若干数学处理建造了一种全新的优化指标——辛卜森指标。为减少实际追迹光线的计算量并同时满足辛卜森积分对等距节点上函数值的要求，采用拉格郎日插值方法计算若干非常规抽样光线对应的垂轴像差近似值。事实证明，辛卜森指标的引用可以迅速改善很差的初始结构，大大减少优化过程中的慢收敛、发散、震荡或“无解”，实现快速而稳定的优化；将它用于预优化过程，可以为后续自动设计提供优异的“雏型”结构，还可从纯球面系统入手，自动设计出理想的非球面系统；利用它还可自动确定各非球面参数的合理的增量     

声光可调谐滤波器成像光谱仪非球面光学系统设计

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的工作原理,设计了一套工作在440～780nm的光谱成像光学系统。该光学系统通过引入一面偶次非球面提高了系统的成像质量,简化了镜头的结构,提高了光学系统的透射率。前置光学系统采用由一组双胶合透镜构成的像方远心光路。后置成像光学系统由一组三胶合透镜构成,其中包含一面非球面,根据非球面变形系数与初级像差间的贡献关系,完成了非球面及其位置的优化和对AOTF的+1级衍射光成像。光学系统在32lp/mm的空间频率下的调制传递函数(MTF)大于0.6,像质优良,加工装调公差适中。     

基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计

采用具有"负-正"形式的反远距结构作为初始结构,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统,其全视场为110°,焦距为1 mm,F数为3.3,最大通光孔径为3 mm,系统总长为7.89mm。该光学系统由6片透镜组成,包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明,在奈奎斯特空间频率143lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4,接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性,在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统,对两者进行了分析比较。结果表明,Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力,且有利于提高系统的优化设计效率;设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小,有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度,降低成本;同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低,有利于提高系统的装配效率。     

消畸变、长焦距相机光学系统设计

随着空间光学技术的不断发展,时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机得到了广泛的应用,TDI-CCD图像传感器的应用不仅提高了相机系统的信噪比而且使相机的光机结构更加紧凑,但光学系统的畸变在推扫过程中会造成像移,并最终导致图像模糊,因此对光学系统的设计提出了新的要求。分析了光学系统畸变对TDI-CCD推扫成像时的影响,研究了空间相机光学系统设计中消除畸变的方法,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6000mm,F数为10的三反射消畸变光学系统。设计结果表明,当光学系统视场角为1.6°时,光学系统的畸变量小于0.01%,当面中心遮拦为0.06时,Nyquist频率(50lp/mm)处调制传递函数优于0.50,成像质量达到衍射极限,可以满足高分辨率TDI-CCD空间相机的使用要求。该光学系也适用于多光谱、立体成像和立体测绘等对光学系统畸变有严格要求的相机系统。     

水平对称视场全景环带成像系统设计

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°^+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。     

鱼眼镜头光学系统的非球面优化设计

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论,通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献,将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象,结合波像差随非球面系数的变化趋势,确定应用非球面的光学面;应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化,其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm,其评价函数值下降1个数量级,证明该方法能明显提高镜头的成像质量,对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。     

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.     

非球面鱼眼镜头设计及畸变校正算法研究

提出了一种非球面鱼眼镜头的设计方法,根据全景摄像系统镜头使用要求,设计得到一款仅由三片非球面塑胶镜片和一片球面玻璃镜片组成的超广角鱼眼镜头。镜头最大成像光圈直径为15.3 mm,后工作距离为2.158mm,系统总长为11.44mm,焦距为0.97mm,视场角为210°,在60lp/mm处调制传递函数(MTF)曲线达到0.35。还构建出一种高效简单的鱼眼镜头畸变校正算法,根据镜头设计中得到的畸变曲线,应用畸变模型运用实际像点计算出理想像点位置,将鱼眼镜头拍摄的畸变图像校正为适合于人眼观看的无畸变图像。通过车载全景显示应用中实际拍摄图像及校正图像的对比,验证出该算法精准可行。     

红外波段的非球面反射光学系统

前言由于存在着选择合适透镜的问题,热成象系统在工业和军事上的若干应用还没有得到发挥。远距离应用系统要求工作在3-5微米或8-14微米大气窗口的大直径透镜就是一个特殊的例子。在作远距离监视时使用者的典型要求是0.1毫孤的分辨率。探测器的尺寸一般大于50微米,所以要求焦距在500毫米以上。即使在F/2时,这也意味着透镜直径应在250毫米以上。对10微米的波长,衍射极限本身就要求至少200毫米的透镜直径。作为菲利蒲公司热电光导摄象管<1>研制计划的一部分,我们还研究了可能实现的光学系统。我们发现,目前还没有合适的透镜能使热电光导摄象管用于远距离观察。热电光导摄     

最近非球面光学系统的生产技术

<正> 袖珍唱盘即所谓的CD用的精密非球面透镜现月产约达100万件,这是几年前还不敢设想的技术和生产量,可以说这是日本独有的新生产业。这种技术并不只局限于CD,而且还广泛应用于记忆装置的光盘中。在塑料、无机光学玻璃的精密非球面模压成型技术方面也有不少引人注目的进展,它需要有更尖端的加工技术和检测技术。在光学系统中引入非球面后,有时会使球面组合时难以做到的:消像差变得简单易行。换言知,由球面组合的相当复杂的系统,引入