照相物镜移植应用的研究

对于用逐步修改法设计光学系统,初始结构的选择是重要环节。除在典型形式中寻求初始结构外,也可以借鉴其它系统的光学结构进行相似创新。照相物镜移植应用指的是不同系统物镜因成像功能相似,故可实施光学结构的优化替代。本文研究了各种物镜成像功能的相似性,不同系统大孔径、大视场物镜光学特性的边缘性;根据像差理论阐明了照相物镜是大孔径、大视场系统理想的结构替代源;结合照相物镜丰富的光学结构资源的实际情况,指出移植应用是可行的。将照相物镜移植应用于其它系统大孔径、大视场物镜设计中,生产出与照相物镜结构相似、像质优良的镜头。实践证明了移植应用的实用性与可操作性。     

高分辨率超低畸变航天光学成像系统设计

在航天空间交会、对接等高精度定位应用中需要光学成像系统具有高分辨率、低畸变、大视场的特点，为此设计了一种满足上述要求的航天物镜。采用复杂化的双高斯结构形式进行准像方远心光路设计，系统由9片透镜组成，并采用耐辐射玻璃材料减少离子辐射的腐蚀性；采用滤光片避免短波辐射对系统的影响，引入非球面提高成像精度，最后对成像物镜进行了公差分析。设计的系统焦距为24 mm，相对孔径为F/2.2，工作波段600 nm~800 nm，全视场角为35°。设计结果表明，采用该方法设计的物镜在128 lp/mm处各视场传递函数值均大于0.3，畸变值为0.007 2%，达到设计指标要求。     

8～12μm折-衍混合物镜超宽温度消热差设计

介绍了一个大视场大相对孔径红外物镜的消热差设计。该系统工作波段为8~12μm,全视场角为40°,焦距为6 mm,相对孔径为1.25,总长为50 mm,后工作距为15 mm。系统采用三片式结构,仅使用了锗和硒化锌两种材料。引入了一个衍射面和两个二次非球面,使结构简单化,轻量化,并很好地提高了成像质量。在-80℃~200℃温度范围内利用衍射元件实现了消热差设计,并给出了-80℃~200℃下系统的像质评价结果。设计结果表明,在空间频率为16 lp/mm处,各个温度下的系统传递函数(MTF)值均大于0.7,接近于衍射极限,成像质量良好,实现了在超宽温度范围的消热差设计。     

折衍射混合环形孔径超薄成像光学系统设计

为了突破基底材料的选择局限性,实现成像波段范围内的高质量成像,在环形孔径超薄成像系统引入成像衍射光学元件,设计了以光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底材料、焦距为35mm、有效孔径为29 mm的4次反射结构的折衍射混合环形孔径超薄成像系统。该系统倍率色差小于2.2μm,在空间频率为166lp/mm时的MTF值大于0.4,实现了高质量成像。对环形孔径成像系统分别进行了公差分析与热分析,结果表明,在空间频率为166lp/mm时,各视场的子午和弧矢衍射MTF值大于0.2,在温度0℃～40℃时,各视场的子午和弧矢MTF值大于0.28.     

水下微光摄影物镜的设计和研究

增大视场角和相对孔径是提高水下微光摄影物镜性能的重要手段。介绍大视场大相对孔径水下微光摄影物镜的设计方法和特点。基于反摄远结构采用11片镜片设计了相对孔径为1/1.4,水下全视场角66°,焦距11.8mm的水下微光摄影物镜。质量评价结果表明:设计的摄影物镜成像质量优异,在空间频率为42lp/mm时0.7ω的MTF值高于0.5,且达到各项性能指标,能够满足水下微光摄影物镜对大视场大相对孔径的需求。     

透镜转像式军用瞄准镜物镜设计

为了满足瞄准镜体积小、重量轻的要求,需要物镜采用摄远型结构。分析了摄远型透镜转像式物镜的光学特性与像差特点,提出了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组构成的结构型式。依据系统的成像特性,推导了光焦度分配和外形尺寸计算公式。采用光学设计软件Zemax设计了摄远型透镜转像式物镜,系统焦距为-100 mm,入瞳直径为25 mm,视场角为8,系统总长仅为99.92 mm。设计结果表明,采用该方法设计的瞄准镜物镜在40 lp/mm处各个视场的调制传递函数均在0.2以上,满足目视光学仪器的使用要求。     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

高分辨率红外导引头光学系统小型化设计

设计一种高分辨率中波红外成像制导光学系统。采用折射一次成像的结构形式,初始结构为远摄型物镜组。所设计的系统共用3个光学元件,通过引入非球面和二元光学衍射元件,增加光学设计的自由度,全视场达到10,系统总长为49 mm,焦距为70 mm。并且系统在-40℃~60℃温度范围内具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射极限,最大弥散斑直径小于15 m。适用于像元数为640512,像元尺寸为15 m,F数为2的红外焦平面探测器。系统具有成像分辨率高、视场大且体积小等优点,可用于小型红外导引头中。     

长波红外大视场大相对孔径光学系统设计

设计了用于非制冷红外焦平面阵列探测器的大视场、大相对孔径的长波红外物镜。系统由3片非球面锗镜组成,采用反远距结构,系统焦距为6mm,相对孔径为1∶0.8,全视场角为160°,总长为86.13mm。设计结果表明:在空间频率为20lp/mm处的MTF值大于0.7,接近衍射极限。该系统除具有反远距结构的结构简单、体积小、质量轻、像面照度均匀等优点外,还具有超大视场。     

应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计

大视场生物成像分析仪能够满足对于稀有细胞和痕量病原微生物等待测样本量大,目标物稀少情况下的快速和准确检测需求,在生命科学、食品药品检测、环境安全等领域中有极其重要的作用。针对其核心部分,本文以同轴三反成像理论为基础,采用视场离轴的方式设计了离轴三反显微物镜,并进行光学仿真分析。该系统光谱范围为350～1 100nm、放大倍数β=-1,视场范围为150 mm×20 mm,数值孔径为0.1,点列图直径的均方根小于3.5μm,在空间截止频率178 lp/mm处,全视场的MTF均值大于0.35,畸变为0。实验结果表明:该成像系统视场大、分辨率高,大视场生物成像分析仪系统检出率为98%。本文设计的离轴三反显微物镜成像质量良好,可满足应用需求。     

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。     

基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计

关节镜是一种用于观察关节内部结构、诊治关节疾患的内窥镜。利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、像质好的优点,运用Zemax软件设计了一款结构简单的关节镜光学系统,可用于1/10＂CCD关节内窥镜成像。系统具有60视场角,F数为6, 工作距离从～5 mm,各视场的调制传递函数(MTF)在125 lp/mm时达到0.2以上,分辨率达到4 m,且各组态点列图均小于艾里斑半径。光学结构总长204 mm,最大镜头口径小于4.6 mm,根据关节镜的使用特点,系统满足使用要求。     

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。     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

周视监控全景镜头设计

利用ZEMAX光学软件设计了一种可用于周视监控的全景镜头,镜头由凹凸反射镜组和中继镜组组成,反射镜组使镜头获得大视场角,中继镜组将反射镜组所成的虚像投影到探测器上。该镜头有效焦距为0.97 mm,F数为1.5,垂直方向视场为65~95,水平方向视场为360,镜头工作在475 nm~750 nm波段,总长为69.7 mm。设计结果表明:系统全视场f 型畸变小于5 %,调制传递函数（MTF）值在空间频率为60 lp/mm时大于0.58,系统成像质量良好,可满足周视监控的使用要求。     

消热差大相对孔径中波红外望远物镜的研制

为满足低成本空间热成像系统重量轻、适应环境温度范围宽的要求,研制了消热差的大相对孔径中波红外望远物镜,其焦距为100mm,F数为1,全视场角为5°.物镜设计采用了匹兹伐结构型式,仅由两块硅(Si)透镜和一块锗(Ge)的折/衍混合透镜组成,能够实现-20～+60℃环境温度变化范围内光学被动消热差.对实际加工的红外物镜进行...     

Pupil-segmentation-based adaptive optical correction of a high-numerical-aperture gradient refractive index lens for two-photon fluorescence endoscopy

The intrinsic aberrations of high-NA gradient refractive index (GRIN) lenses limit their image quality as well as field of view. Here we used a pupil-segmentation-based adaptive optical approach to correct the inherent aberrations in a two-photon fluorescence endoscope utilizing a 0.8 NA GRIN lens. By correcting the field-dependent aberrations, we recovered diffraction-limited performance across a large imaging field. The consequent improvements in imaging signal and resolution allowed us to detect fine structures that were otherwise invisible inside mouse brain slices.     

复眼式光学成像系统畸变测量与校正技术研究

复眼式光学成像系统在大视场侦查、图像识别、目标探测等领域较传统单孔径光学系统优势突出,但随着视场的增加,子孔径本身的成像畸变及多个子孔径的安装位置误差引起的畸变会直接影响拼接图像的质量。针对该问题,采用光电测量技术对复眼系统进行畸变测量与校正,生成多模动态电子畸变测量靶标,构建畸变测量校正模型,建立多项式拟合算法,采用最小二乘法获得畸变系数,通过双线性插值法模型对图像进行重建。实验结果表明,校正后的平均相对畸变优于0.1%,满足大视场复眼式光学成像系统的畸变校正和图像拼接的精度要求。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。