光纤传像束的物镜设计

分析3种像方远心系统的结构和用途。在传像光纤物镜的设计过程中,分别采用传统单组像方远心系统和“负-正”型式的像方远心光学系统结构,通过比较发现“负-正”型式的像方远心系统的结构能很好地解决镜头轴外像差校正和像面照度均匀性的问题,并且镜头结构紧凑。使用ZEMAX光学软件进行优化,给出工作波长(0.38～0.78)μm,焦距1.92mm,视场角60°,相对孔径为1∶4的镜头设计实例。设计结果表明:此镜头在46lp/mm处的MTF大于0.8,像质优良。     

大视场紫外告警相机光学系统研究与设计

为了提高紫外探测器系统的信噪比,确保紫外告警相机的低虚警率,分析与研究了大视场紫外光学系统的结构型式,采用反远距、准像方远心光路,实现了大视场光学系统的像差校正,使系统具有优良的成像质量及均匀的像面照度.设计了波段范围为0.254~0.272μm、视场角为110°、相对孔径为1/3的光学系统.系统成像质量良好,畸变小,像面照度均匀.成像质量分析结果表明:全视场最大弥散斑半径小于53.7μm,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于15%,0.85视场的相对畸变小于20%,满足紫外告警相机的使用要求.     

双波段光纤内窥镜物镜设计

为适应昼夜侦查、探测目标的需要,设计了可见与近红外双波段光纤内窥镜物镜。在分析其基本原理的基础上,采用反远距形式的像方远心光路结构作为初始结构,通过Zemax软件进行优化设计,给出了一个工作波长0.486 m～0.656 m/0.7 m～1.1 m,焦距1.21 mm/1.22 mm,F数为4,视场角为80,光学长度为8.45 mm/8.47 mm的设计实例。传像束单丝直径16 m,并按正方形排列,据此要求在31 lp/mm处评价像质。设计结果表明,系统满足像方远心光路要求,轴上和轴外像面照度均匀,该镜头可见光部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.81,近红外部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.80。该双波段内窥镜的设计在实现已有内窥镜功能的同时,又提升了探测范围和信息量,能够实现全天候的检测与侦查。     

星载多角度偏振成像仪光学系统设计

星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器。介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构。根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669%,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求。     

星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪的研制

为满足空间遥感的迫切需求,设计并研制了一个星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪样机.该仪器通过利用光阑像差产生的有效像差渐晕提高像面照度的均匀性,解决了广角系统中像面照度不均匀的问题.合理选择结构型式校正了畸变,并且采用全球面光学系统,易于加工和检测.广角气溶胶探测仪的中心波长为670 nm,带宽20 nm,全视场72°,相对孔径1/3.6,焦距20mm.实验结果表明:研制的星载广角气溶胶探测仪镜头其入瞳大小5.6 mm,边缘视场的相对照度达到95.6％,在36 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数值大于0.61,轴外视场的调制传递函数值高于0.58,最大畸变量为-1.95％,完全满足设计指标要求,体积小,适合空间遥感应用.     

大视场大相对孔径长波红外物镜

介绍适用于非致冷焦平面阵列(FPA)探测器的大视场大相对孔径长波红外物镜设计与研制.由三块非球面锗透镜组成,采用"负-正-正"像方远心光路,全视场角和相对孔径分别达135°和F/0.8.镜头的成像性能接近于衍射受限,具有体积小、重量轻、像面辐照度均匀等优点.给出非球面锗透镜的研制、测试结果和用此光学系统得到的室内目标热辐射成像图片.     

星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪的研制

为满足空间遥感的迫切需求,设计并研制了一个星载均匀像面低畸变广角气溶胶探测仪样机.该仪器通过利用光阑像差产生的有效像差渐晕提高像面照度的均匀性,解决了广角系统中像面照度不均匀的问题.合理选择结构型式校正了畸变,并且采用全球面光学系统,易于加工和检测.广角气溶胶探测仪的中心波长为670 nm,带宽20 nm,全视场72°,相对孔径1/3.6,焦距20 mm.实验结果表明:研制的星载广角气溶胶探测仪镜头其入瞳大小5.6 mm,边缘视场的相对照度达到95.6%,在36 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数值大于0.61,轴外视场的调制传递函数值高于0.58,最大畸变量为-1.95%,完全满足设计指标要求,体积小,适合空间遥感应用.     

动态目标模拟器用视景仿真镜头光学设计

研究一种基于液晶光阀的动态光学目标模拟器用视景仿真镜头,给出了视景仿真镜头的设计实例。动态光学目标模拟器由内置液晶显示系统、视景仿真镜头、外置投影仪、计算机、电缆、调整机构组成。测试设备将命令发送到计算机,计算机根据接收的指令生成模拟地形图并控制液晶光阀将图像显示出来,液晶光阀位于视景仿真镜头的焦平面位置,视景仿真镜头对液晶光阀成像后形成平行光出射,可在有限距离上产生无限远效果模拟观测结果,光学敏感器接受模拟器的出射光线并成像完成模拟试验,视景仿真镜头采用二次成像的反远结构,同时为保证与液晶光阀出射光相互匹配,采用了远心光路的结构形式。视景仿真镜头的焦距f=-22.447 1 mm,视场角是对角线视场为45,有效视场为301.5301.5;全视场畸边＜1％,在Nyquist频率42.5 lp/mm处MTF＞0.45,系统长度325 mm;视景仿真镜头与敏感器镜头配合后在敏感器像面上的照度均匀性不小于95.4％。最后给出了视景仿真镜头的测试结果。     

固态面阵激光雷达接收光学系统设计

在确保固态面阵激光雷达安全性的前提下,为了提高光学系统的像面能量均匀度以及增加光学系统所接收到的能量,保证在探测过程中的低信噪比以及对目标的可探测性,本文通过对发射激光能量和接收能量进行建模,给出了光学参数,研究了影响接收光学系统像面照度的因素。指出大视场大相对孔径高照度均匀性光学系统的设计要素,并通过ZEMAX优化分析给出了具体的实施过程。最终设计了λ=905(±5)nm,焦距为15 mm,相对孔径为1/1.4,视场角为2ω=76°的激光雷达接收镜头,系统总长小于77 mm,在空间频率为20 lp/mm处MTF值大于0.5,在0.85视场内的相对畸变小于8%,像面照度不均匀性小于7.2%。满足激光雷达的探测要求。     

用于深空探测的宽谱段大视场小型光学系统设计

设计了一种宽谱段、大视场、轻小型成像光学系统.系统焦距为35mm,相对孔径为1∶7.5,工作谱段为0.4~0.9μm,全视场为2ω=60°,采用复杂化双高斯结构,透镜面形均采用球面设计,实现系统总长115mm,在70lp/mm处,最低光学传递函数大于0.45.利用负畸变法、像差渐晕法改善广角系统像面照度均匀性,使像面边缘视场照度达到中心视场的80%.像面照度不均匀性为8%,系统热光学性能良好,在0~40℃范围内均有较好的像质,满足深空探测需求.     

球幕投影数字鱼眼镜头的光学设计

采用非相似成像原理,利用Zemax光学软件设计了一款适用于1-60 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构,由5组6片球面透镜组成,具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180,焦距为3.28 mm,相对孔径为1/1.9,后工作距离为35.8 mm,光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量,在50 lp/mm处,各个视场的MTF值均大于0.4,最大垂轴色差为4.5 m,全视场的F-theta畸变绝对值小于3%,最大视场的像面相对照度达到96.27%。     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26~34 mm,视场角为36.2°~28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2%以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26～34 mm,视场角为36.2°～28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2％以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。     

广角大相对孔径f-θ透镜光学设计

激光扫描系统中f-透镜是必不可少的部件,针对目前国内激光扫描系统工作面小、测量速度慢、测量精度低等缺点,设计出一种大视场大相对孔径f-透镜以改善以往系统的不足,提高工作效率。设计中透镜是一种负畸变透镜,属于像方远心光路,预期参数为2=60,D=120 mm,f=500 mm。经过计算后,利用Zemax软件对f-透镜模型进行了优化设计,得到艾里斑直径3.514 m,扫描范围为500 mm500 mm,相对孔径为6/25的大工作面大相对孔径的f-透镜,成像清晰,优化结果达到了预期的设计指标。     

折反式超短焦投影镜头设计

针对国内外市场对近距离、大屏幕投影系统中需降低投影镜头加工难度及成本的要求,该文设计了一款超短焦投影镜头。设计过程中选用折反式结构,利用物、像关系原理,结合物方视场计算反射镜面型参数,得出反射镜面型。该方法便于校正大视场畸变、抵消折射镜组的像散和场曲,整个光学系统包括15片球面透镜和一片非球面反射镜,系统总长286 mm,投影距离500 mm,投射画面尺寸254 cm(100英寸),系统投射比0.22,相对照度大于85%,MTF(modulation transfer function)在0.4 lp/mm时大于0.5,水平TV畸变小于0.55%,垂直TV畸变小于0.65%。该系统的多项设计指标均优于市面上现有的产品指标,采用同轴球面设计易于加工、装调,可有效降低生产成本。     

小口径大视场工业内窥镜光学系统设计

近年来,内窥镜广泛应用于复杂环境下小尺寸零件缺陷检测,该文设计一种用于航空发动机叶片检测的工业内窥镜光学系统。系统基本结构采用二次成像,物镜采用非对称反远距结构,将大视场光线收束进小口径腔体中,适配镜将物镜所成一次实像放大21倍,后接对角线长42 mm高速相机。系统基于Zemax设计软件进行系统优化、公差分析和像质评价,最终系统具有大视场(120°)、细孔径(3 mm)、耐高温(25℃～180℃)等特点。由于对视场、孔径和适配镜放大率有较高要求,因此合理引入非球面提高系统成像质量,入瞳直径提高至0.5 mm,系统空间截止频率在17 lp·mm^-1处,全视场调制传递函数值均大于0.28,最大畸变值小于21.2%。     

大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计

分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计特点.基于反摄远结构引入一个高次非球面设计了相对孔径为1/1.4,水下全视场66°,焦距11.85 mm,光谱响应范围0.48～0.60 μm,采用平面水密壳窗的水下专用摄影物镜.全视场MTF在空间频率42 lp/mm时高于0.4.与相同技术要求下全部采用球面透镜的设计进行比较,表明该摄影物镜结构更简单,成像质量也更优异,能够满足深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求.     

Optical design of a full-pupil field,non-contact and high resolution corneal curved objective lens

It has been a challenge to overcome the corneal curvature radius to design a full-pupil field, non-contact and high resolution corneal curved objective lens, which covers the cornea full-pupil field and has the ability to resolve corneal cells. In this paper, we report an optical design of a full-pupil field, non-contact corneal curved objective lens for high resolution cornea imaging. The advantages of this lens are that it has a wide field of view (FOV) with the corneal curved image surface, maintains the beam normal incidence, as well as non-contact lens imaging, and offers a cell-level lateral resolution of cornea structure. The analysis of optimization shows that the system achieves diffraction limit in a circular FOV of 4 mm diameter covering the full-pupil zone. The theoretical lateral resolution is about 2.5 μm with an image space NA of 0.16, which is sufficient to resolve corneal cells of 7 μm diameter, and the working distance is larger than 15 mm which is enough for a non-contact objective lens. So the optical design is effectively and efficiently meeting the demand of specifications.