新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

光学微透镜阵列成像质量预测和测量

为了研究微透镜阵列成像质量的影响因素,针对慢刀伺服加工和紫外（UV）光固化工艺制备的微透镜阵列,引入微透镜阵列镜片的误差,建立基于Zemax光学软件的光学微透镜阵列成像仿真模型,分析透镜单元的高度、曲率半径、入瞳直径等误差对微透镜阵列成像质量的影响。搭建光学测试平台对评价微透镜阵列成像性能的光学参数进行检测,包括各透镜单元的焦斑大小、位置误差及其焦距值,并利用点扩散函数（PSF）曲线的半峰全宽值对光场成像结果进行成像质量评价,测量得到微透镜阵列的焦距标准误差为0.12 mm。将测量结果与仿真结果相比,可得PSF曲线的半峰全宽值误差在12%左右,证明了仿真模型的准确性。利用仿真和实验的方法建立了微透镜阵列镜片误差与其光学成像质量之间的关系,这可为基于功能实现的光学微透镜阵列的超精密加工工艺提供理论基础和指导。     

水平场景无畸变折反射全景成像系统透镜畸变的消除

采用短焦距透镜设计水平场景无畸变折反射全景成像系统,会使系统更加小型化,然而短焦距透镜的畸变会对系统成像产生影响。为此建立了具有径向畸变的相机模型;根据这一相机模型,研究了采用短焦距摄像头的水平场景无畸变折反射全景成像系统中,透镜畸变对系统成像的影响,结果表明短焦距透镜的畸变会对系统成像产生严重影响;为了消除透镜畸变的影响,对反射镜的设计进行了改进,在反射镜面形微分方程中包含了透镜畸变消除的参量;按新的方法,设计了一套由短焦距摄像头组成的水平场景无畸变折反射全景成像系统。     

单透镜望远镜及其成像参数的研究

本文为作者在研究第30届国际青年物理学家竞赛(IYPT2017)第3题的基础上形成,按题目要求设计用小孔光阑替代目镜,自制出简易单透镜望远镜。根据几何光学和波动光学相关理论,作者比较全面地探讨了孔径和透镜焦距等装置参数对单透镜望远镜成像放大率、清晰度和亮度等成像参数的影响。在此基础上作者通过实验对这些参数进行定量研究,借助于Matlab、ToupView等计算机软件对实验数据进行了详细的分析。本文发现理论和实验具有良好的自洽性,从而得到了一般性结论。文末对研究中可能导致误差的因素进行了分析,并对不足之处进行了展望。     

3D-STORM超分辨成像中单分子轴向定位精度优化研究

为定量描述柱透镜参数对三维成像过程中荧光分子轴向定位精度的影响,本文研究了柱透镜参数与点扩散函数椭圆率的相互关系.基于Olympus IX-83倒置荧光显微镜搭建成像系统,利用3个不同焦距柱透镜进行实验,通过柱透镜标定曲线的线性变化范围及该范围内曲线的斜率分析柱透镜参数选择上的优劣,优化并提高轴向定位的精度和深度.选择合适的柱透镜参数可实现标定曲线在焦平面上下1μm范围线性变化,轴向定位精度为16nm,并采用优化的标定曲线对肌动蛋白微丝进行三维超分辨成像.     

精确测量透镜焦距的一种方法

本文通过测量待检透镜焦面上的分划板的两刻线对透镜主点的张角测焦距。待检透镜成像质量优良 ,用此种方法测量焦距 ,其相对偏差可达万分之几。通过分析误差源 ,讨论了测量过程中应注意的一些问题     

一种可移动超分辨成像系统的制备及其性质研究

基于浸没透镜设计了一种超分辨成像系统,利用SU-8光刻胶和直径为4.87 m的微球实现纳米级别的超分辨成像。介绍微球成像放大率的求解方法,并通过软件模拟了超分辨成像系统的焦距。通过改变SU-8胶的厚度（从3.4 m到0）,系统的放大率也随之改变（放大率从1.6x到2.6x）。实验表明:SU-8胶的厚度对微球放大率有直接影响,通过该系统可以在普通光学显微镜下观察到蓝光光碟条纹。     

液体透镜变焦系统高斯理论分析

基于液体透镜的变焦系统不需要移动光组即能实现变倍的功能,这种变倍工作方式可应用于具有特定需求的成像系统,近年来备受关注。探讨了液体透镜参数(变焦范围,通光口径)对变焦系统变焦性能的影响,从理论上得到了液体透镜变焦系统最大变倍比以及最大视场角的计算公式。根据理论计算的结构,求得该结构下液体透镜变焦系统的变焦曲线表达式。从变焦曲线可知,系统从短焦向长焦方向变化时,系统变倍比增长速度越快,系统焦距变化越灵敏。利用上海理工大学研发的液体透镜进行仿真,设计了一款变倍比为6,全视场角为60°的液体透镜变焦系统高斯结构。该设计不仅验证了理论推导的正确性,也可作为实际液体透镜变焦系统的初始结构。     

非相干成像双目视觉系统的误差分析

影响双目视觉系统测量精度的因素很多,目前系统结构参数对测量精度的影响主要有光轴与基线的夹角、基线距离、水平视角、物距以及透镜焦距等。由于孔径尺寸直接影响成像分辨率,是决定双目视觉测量精度的核心因素,因此依据非相干成像理论,对双目成像过程进行仿真和实验,采用加速鲁棒特征算法对所成的图像对进行特征提取与匹配,获取其视差值,并且计算其视差均方根误差来表征系统误差。研究结果表明,系统误差随着透镜孔径大小的增大而减小,并且趋于饱和。该研究可以为双目系统设计过程中系统参数和孔径尺寸的选取提供理论和实验依据。     

薄透镜厚度引起焦距测量误差的探究

从理想光具组的焦距公式出发,理论上分析了薄透镜厚度引起焦距测量的误差。采用物距像距法测定焦距,并与二次成像法测得的焦距比较,得出实验结论：采用物距像距法测量焦距,因薄透镜厚度引起的误差大小等于物距像距法测得的焦距与二次成像法测得的焦距之差;由于薄透镜的厚度越厚,折射越靠近光心,所测得的焦距值会偏小,因此对厚度引起的系统误差进行修正,得到修正后的焦距为fm＋Δf。     

飞行模拟器目标显示变焦距系统设计

介绍了飞行模拟器的原理及方案。讨论了飞行模拟器中目标显示变焦距成像系统的光学设计方案。探讨了垂轴放大率时的变焦距系统的特性 ,在垂轴放大率时变倍组和补偿组的共轭距均处于极值 ,在此处补偿组进行平滑换根 ,使补偿组位移曲线的上半段与下半段平滑相连 ,可以让补偿组也为整个系统变倍作出贡献 ,使得凸轮导程缩短 ,达到减小系统外形尺寸的目的。利用阻尼最小二乘法拟合出整个变焦过程中系统最佳像面的位置曲线 ,并按此设计凸轮曲线 ,即可保证系统在整个变焦过程中成像质量均处于最佳状态。成功地将上述思路应用于飞行模拟器变焦距成像系统中 ,取得了很好的效果     

Dynamic measurement of beam divergence angle of different fields of view of scanning lidar

The laser beam divergence angle is one of the important parameters to evaluate the quality of the laser beam.It can not only accurately indicate the nature of the beam divergence when the laser beam is transmitted over a long distance,but also objectively evaluate the performance of the laser system.At present,lidar has received a lot of attention as a core component of environment awareness technology.Micro-electromechanical system(MEMS)micromirror has become the first choice for three-dimensional imaging lidar because of its small size and fast scanning speed.However,due to the small size of the MEMS micromirror,the lidar scanning system has a small field of view(FOV).In order to achieve a wide range of scanning imaging,collimating optical system and wide-angle optical system are generally added to the system.However,due to the inherent properties of the optical lens,it is impossible to perfect the imaging,so the effects of collimating and expanding the beam will be different at different angles.This article aims to propose a measurement system that dynamically measures the divergence angles of MEMS scanning lidar beams in different fields of view to objectively evaluate the performances of scanning lidar systems.     

伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦综合测量系统

为了实现定距离、较大视场范围某低速点的快速方位角及高程测量要求,采用点型光源、伽利略望远镜与柱面镜组合式长焦光学系统及双正交线阵CCD,搭建了一种复合柱面镜长焦光学测量系统.该组合式长焦光学系统无一次成像面,系统光学长度短,系统前组为伽利略型望远镜型式,接近无焦.在一定测量范围内,选择合适的前组角放大倍率和前组口径等参量,使得在不同位置的点所成线像均与双线阵CCD正交.有针对性地优化光学系统设计、选择合适的系统评价函数并对系统装调及测量原理进行准确度分析.结果表明,该系统在测量距离为10m,视场范围1.5°×1.5°内时,方位角测量误差在±2.5″以内,且系统长度较短,公差较宽松.该系统解决了光源合作目标尺寸严格受限的问题,探测器尺寸较大且成本较低.     

软性亲水性接触镜几何参量的光电成像测量方法

提出了对软性亲水性接触镜采用非接触的光电成像检测方法.将浸于液体中的软性亲水性接触镜置于高准确度的标准环上,采用投影光学系统将其投影放大,并用光电图像探测器接收软性亲水性接触镜的放大图像.通过计算机图像处理、计算出放大后的图像尺寸,然后利用成像公式、标准环的尺寸等相关参量,最终计算出软性亲水性接触镜的实际几何参量.采用放大倍率为20倍的投影成像光学系统,像元中心距为50 μm、像元数为512位的CCD线阵, 51系列单片机进行数据处理.经计算,该光电成像测量系统对软性亲水性接触镜的中心厚度、曲率半径的测量分辨力达到了0.005 mm,远高于系统0.01 mm的准确度要求.     

水下气泡高速摄影光学系统设计

为了研究水下气泡的粒径、速度和浓度特性,提出基于高速电荷耦合器件(CCD)的气泡照明和三维摄影光学系统.采用532nm半导体激光器,基于伽利略结构用三个柱面镜设计了厚度1.5mm,宽度44mm的片光源。设计物像距530mm,放大率为0.4,1,2.5倍(×)的摄影光学系统,每组均由共用前组镜和会聚镜组成,中间以平行光中继。通过同步移动片光源和共用前组镜实现60mm×40mm视场内二维高速成像和纵向5mm扫描,具有结构简单、性能可靠的特点。对设计结果进行评价,0.4,1,2.5×成像光学系统在0.707ω,50lp/mm时调制传递函数值分别为0.58,0.55和0.38,能够分辨粒径范围为10～450μm的气泡。     

利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

在光学系统中加入2个或多个可变光学元件,保持光学元件位置不变,通过微调装置改变这些可变光学元件的焦距使得整个光学系统的有效焦距发生变化。基于该设计思想,结合卡塞格林(Cassegrain)反射式望远镜结构模式,使用ZEMAX光学设计软件设计了焦距为1 600 mm～800 mm,视场0.6°～1.2°的变焦系统,整个系统由2个可变形反射面、1个平面反射面和1个透镜组成,主要通过主镜和次镜面型曲率(可变形镜DMs,Deformable Mirrors)以及入瞳直径的变化实现系统变焦。设计结果表明:系统在空间频率16 lp/mm处调制传递函数大于0.75,最大均方根弥散斑半径均小于探测元尺寸,满足成像要求。     

可变焦距机器视觉镜头光学系统设计

在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数,采用机械补偿形式,利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。该系统工作距离可以在290 mm～340 mm范围内变化,实现了焦距从10 mm～100 mm的10倍多焦点变焦。设计结果表明:该变焦物镜最大畸变小于1%,最大兼容0.84 cm(1/3英寸)CCD图像传感器。用调制传递函数对系统的成像性能进行评估,该系统在空间频率100 lp/mm处调制传递函数大于0.3,满足成像要求。     

潜在视功能检测仪研究及其光学系统设计

研究一种针对白内障患者的潜在视功能检测仪。采用透射式视力分辨率板并且使进入眼瞳成像光束足够细和有足够的光能量,以致能够通过白内障患者云雾状晶状体中的微小间隙在视网膜上成像,移动透射式视力分辨率板调焦可测出患者的视度在-7D~ 12D之间的潜在视力。进行了光学系统结构设计和理论计算,进行了实验和测试。实验测试结果表明,该系统出瞳位置光斑直径D-=0.094 mm,测得视力与传统测试方法测得视力相一致。通过该仪器对白内障患者手术前检测,可比较准确预测置换人工晶体手术后达到的视力水平,这对医生和患者都具有重要参考价值。     

立体视觉测量系统标定误差补偿

双目视觉测量系统利用三角测量法原理进行三维测量,其结构特性决定了测量误差随测量距离的增加而增大。针对测量误差的分布规律,该文提出基于局部视场的双目视觉测量系统优化方法。利用外在结构建立测量坐标系,减小标定和测量过程信息非一致性引入的系统误差;利用相机参数之间的耦合作用补偿系统固有参数标定误差并建立查找表,建立关于标定参数的虚拟映射。模拟实验最大误差小于0.03 mm,系统实验误差小于0.3%,实验表明优化后系统主要测量误差来源于探测器离散化引入的随机误差,双目视觉测量系统达到理论测量精度。