基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

基于圆锥曲线参数方程的渐进多焦点镜片设计

在渐进多焦点镜片（PAL）的直接设计法中,光焦度轮廓分布对镜片的光学性能至关重要。在子午线上同一曲率变化的基础上,引入不同圆锥曲线方程来描述镜片光焦度轮廓分布。利用椭圆、双曲线、抛物线和圆的定义设定镜片内表面子午线上每个点曲线的离心率以及开口大小。根据圆锥曲线分布情况加入偏移量,实现远近视区视配点可视区宽度调整。设计、仿真和加工了4块镜片。结果表明,基于双曲线方程计算得到的渐进多焦点镜片的周边最大像散大于1倍加光度（ADD）,而基于椭圆方程、圆方程和抛物线方程计算得到的渐进多焦点镜片周边最大像散小于1倍ADD,光学性能更好。当定焦区较大时,基于椭圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值;当定焦区较小时,基于圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值。所提方法可为渐进多焦点镜片的优化设计提供新的方案。     

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。     

Q-Type非球面小畸变全景环带光学系统设计

通过动态链接库方式在Zemax中建立Q-type非球面接口,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段,垂直半视场为30°~110°,焦距为-1.25 mm,F数为5,系统总长为28.7 mm的全景环带光学系统(PAL)。该光学系统由7片透镜组成,包含6片球面镜和一片两面均为Q-type面型的非球面镜片。对设计结果进行了分析,全视场FTheta畸变小于1%,在奈奎斯特空间频率83 lp/mm处调制传递函数(MTF)高于0.5,成像效果接近衍射极限。为验证Q-type非球面在PAL设计中的优越性,实际设计了一个与Q-type面型PAL具有相同参数的偶次非球面PAL,对两者进行了分析比较。结果表明,在相同的计算平台下,Q-type非球面多项式系数的有效数字比对应的偶次非球面的多3~6位,有效减小了优化过程中计算机数字系统截断误差对优化过程的影响,有利于提高光学系统优化设计效率、提高非球面光学零件的加工精度和检测精度。     

混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统

为了得到超多参量光学系统的最佳设计,将标准遗传算法的二进制编码改为实数编码以提高算法的鲁棒性和计算效率,并在评价函数中混入逃逸函数避免优化过程陷入局部极值.用改进后的遗传算法和CODE V对鱼眼镜头光学系统和折反射全景成像系统的设计案例进行光学参量优化,并应用Zemax对两种优化结果进行光线追迹成像模拟.计算结果表明,应用改进遗传算法比混入逃逸函数的遗传算法或CODE V软件优化所得到光学系统的成像质量有明显提高,在优化超多参量光学系统时具有较为理想的鲁棒性和计算效率.     

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。     

大面阵CCD航空数码相机光学系统设计

充分考虑航空CCD相机工作环境和成像特点,设计了一款具有5000万像素的航空CCD数码相机光学系统,焦距75 mm,F数为4,畸变小于0.1%,工作温度-40℃～60℃.通过重点研究环境温度变化对数码相机光学系统成像质量的影响,提出通过无热优化的方法,保证相机在宽温度范围内具有良好的温度适应性.这种方法既能有效减小光学...     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

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。     

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。     

新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0. 35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

折反射周视系统研究进展与展望

折反射周视系统作为近十几年发展起来的一种新型周视视觉实现形式,相比相机旋转扫描、多相机图像拼接和鱼眼镜头大视场成像等常规方法,在小型化、结构灵活性、成本和实时性方面具有优势。本文综述了折反射周视系统的成像模型、系统标定、畸变校正和全视场清晰成像等基本问题研究状况,讨论了折反射周视系统在红外成像和立体视觉领域的扩展应用研究现状,最后总结了目前存在的问题,并提出未来折反射周视成像系统将围绕非单视点成像模型、提高空间分辨力的方法和处理算法实时实现开展研究。     

用于图像拼接的电视摄像光学系统

采用图像拼接的方法获得了大视场、高角分辨率的电视摄像。用单心球透镜将无穷远目标成一以球透镜球心为圆心的球面像,用围绕球透镜的中继物镜阵列中的每一个中继物镜,按各自对应的球面上的一部分,成像在面阵CCD像面上,最后经电视图像处理技术将这些图像合拼成一幅图像。本文还给出了一个中继物镜阵列最多可由20×20个中继物镜组成的设计结果,焦距为457.9 mm,视场为 120°×104.8°,像素达到85亿、角分辨率为8"。用3个这样的系统,还可以实现360°全景式高分辨率摄像。这是一个在军事侦查、机场安全监视、空中和地面预警、航天摄影以及体育报道等方面具有广泛应用前景的新型电视摄像技术。     

自由曲面成像光学系统设计:理论、发展与应用

传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少.自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束,特别适用于校正非旋转对称系统的像差,同时可以减少系统中元件的数量,减小系统的体积与质量,实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能.自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力,但同时也带来了全新的困难与挑战.概括性地总结了...     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

Design of object surveillance system based on enhanced fish-eye lens

A new method is proposed for the object surveillance system based on the enhanced fish-eye lens and the high speed digital signal processor （DSP）. The improved fish-eye lens images an ellipse picture on the charge-coupled device （CCD） surface, which increases both the utilization rate of the 4：3 rectangular CCD and the imaging resolution, and remains the view angle of 183° The algorithm of auto-adapted renewal background subtraction （ARBS） is also explored to extract the object from the monitoring image. The experimental result shows that the ARBS algorithm has high anti-jamming ability and high resolution, leading to excellent object detecting ability from the enhanced elliptical fish-eye image under varies environments. This system has potential applications in different security monitoring fields due to its wide monitoring space, simple structure, working stability, and reliability.     

基于自由曲面反射镜的低投射比超短焦投影物镜的光学设计

为了设计低投射比的超短焦投影物镜,本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11.938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后,分析了系统的性能。仿真结果表明:超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3048 mm尺寸的大屏幕投影,系统的投射比低至0.19,系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点,可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。