CMOS APS图像传感器的像质分析

使用标准CMOS制作工艺生产的有源像素传感器(APS)引起了广泛关注。为了确定CMOSAPS成像系统设计的主要参数选择的正确性,以及能否满足要求或指标,需要对相机系统的像质进行分析。考虑到CMOSAPS图像传感器与CCD的不同,在分析时计算了CMOSAPS成像系统中的镜头、滤光片和焦平面的调制传递函数(MTF),系统MTF曲线为各个部分MTF值之积。在系统截止频率范围内,利用MTF曲线所围面积的大小来评价系统的成像质量。在系统制造之前,用调制传递函数作为像质的评价方法,看其是否符合使用要求,是十分有价值的工作。

光学瞄准变焦系统的优化设计及其分析

针对一款2-6×24mm瞄准镜系统在变倍过程中出现视差的问题,基于高斯光学理论,利用CODEV软件进行仿真实验,发现在变倍过程中,像距变化较大是造成该问题的主要原因;基于变倍成像原理和机械变倍结构,应用仿真设计技术,提出了变倍组凸轮曲线的修正方法,给出了各镜片的修正参数和凸轮的修正曲线,优化了光学瞄准系统性能,解决了存在的视差问题;对比优化前后光学瞄准系统的调制传递函数、点扩散函数和线扩散函数,发现优化后波像差的RMS值均小于λ/4,成像质量很好,满足成像设计及实际生产的精度要求。

拼接镜成像性能分析

拼接误差对拼接镜的成像性能有着重要的影响。基于标量衍射理论推导了单块子镜反射波的复振幅分布,并使用坐标变换法处理不同子镜间的拼接误差,建立了拼接误差对拼接镜成像性能影响的分析模型。数值仿真给出不同拼接误差下的点扩散函数以及对应的斯特列尔比曲线。结果表明,子镜沿z轴的平移误差对应的斯特列尔比曲线存在周期性变化。子镜倾斜误差和沿x,y轴平移误差对应的斯特列尔比曲线有着相同的结构。得到的结论为拼接镜成像质量分析提供了依据。

Offner成像光谱仪结构设计的可行性分析

针对Offner成像光谱仪同心系统三个离轴放置的反射镜组成的系统，从光学成像质量分析出发，分析三个镜面面型、几何尺寸误差以及安装位置误差范围。利用Patran和Nastran软件分析与建模，分析该系统的静力载荷及模态响应，同时利用热光学理论研究镜片支撑与结构方案，从而开展分设计系统的结构布局：支撑方案和结构形式，更科学的评估Offner成像光谱仪结构设计的合理性。

卫星动态成像对平台稳定度的需求分析

敏捷卫星由于具备快速姿态机动与稳定成像能力,可以在实现高时间分辨率、高空间分辨率以及宽幅宽。而像移速度矢量是制约高分辨率成像的主要原因,卫星平台的姿态稳定度和姿态指向度都会影响像移,造成像质下降。针对上述问题,文章通过建立敏捷卫星在姿态机动过程中成像的像移速度矢量模型,定量分析姿态误差对成像质量的影响情况,对卫星平台的研制提供一定的依据。

10m大口径薄膜衍射主镜的色差校正技术研究

分析了薄膜衍射主镜的成像性能及色散特性,利用含有衍射面的反射式消色差光路校正了衍射主镜的强色散,使成像系统的工作波段达到40nm、视场达到0.02°,设计了10m口径、115.73m总长的短结构合成孔径薄膜衍射成像系统.结果表明,消色差光路将两边缘波长0.58μm与0.62μm之间的焦距差由5.34m减小到17.27μm.该研究提供了一种薄膜衍射主镜成像系统的设计方案,可为超大口径薄膜衍射成像系统的工程化研究提供参考.

应用于钢管直线度机器视觉测量的光学成像系统设计

针对钢管直线度的机器视觉测量,设计了成像系统的技术指标。采用双高斯结构设计了光学成像系统基本结构,并通过ZEMAX光学模拟及像质分析,对成像镜头的结构参数进行了优化。设计结果表明,该光学成像系统总体成像质量较好,畸变小于0.08%,在频率为62.5 lp/mm时,0.7ω视场的MTF值大于0.5,能够用于钢管直线度测量。

半导体激光准直仪设计

根据KM6太阳模拟器光学装校系统的技术要求,文章提出了半导体激光器输出光束的两套准直方案。分别介绍了这两套技术方案的原理,并进行了比较,决定采用在激光器前加前准直光学系统的方案。介绍了准直光学系统的设计,并对所设计的光学镜头进行了像质分析;设计了与光学系统相配套的机械结构, 给出了激光光束的准直性分析。结果表明:自行设计的半导体激光准直仪,技术指标明显优于市场上可提供的光束发散角为5-8 mrad的半导体激光准直仪。为KM6太阳模拟器光学系统装校工作顺利进行提供了保证。

红外光学系统无热化效果评估系统设计

红外光学系统无热化效果评估,需采用光学检测的方法对被测系统在不同温度情况下的焦点位置偏移和像点质量变化进行测试。本文介绍了一种中波红外光学系统无热化评估系统的工作原理及结构形式,并给出了高低温箱温度效应、红外窗口凝霜、红外显微物镜设计等技术难点的解决方案。最终的评估效果表明,系统设计满足使用要求。

红外多光谱扫描仪空间环境模拟定标设备光学设计

介绍了“资源一号”卫星红外多光谱扫描仪辐射定标设备的光学系统;介绍了用空间光线追迹法,求离轴抛物面光学系统弥散圆的方法。

二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.

静态星模拟器准直光学系统设计

为了提高静态星模拟器对“无穷”处恒星的模拟精度,通过研究准直光学系统对星模拟器测量精度的影响,提出了一种静态星模拟器对“无穷”远处恒星进行高精度模拟的光学系统设计方案。首先根据星敏感器的地面标定要求,得出星模拟器的光学系统设计指标参数,并利用ZEMAX软件设计出具有高成像质量的光学系统。最终设计结果为:焦距248.989 mm,光谱范围500~800 nm,有效通光口径65 mm,视场10°。然后对所设计出的准直光学系统产生的各像差曲线进行像质分析。结果表明,10°视场内的畸变值小于0.05%,各视场均方根半径均小于弥散斑尺寸,满足技术指标要求。最后采用徕卡经纬仪6100A对星点板上各星点进行测试,测试数据表明,星间角距误差优于10″,实现了对“无穷”远处恒星的高精度模拟要求。

基于日盲紫外像增强器的大孔径透射式紫外光学系统设计

以微光夜视技术重点实验室研制的AlGaN光阴极日盲紫外像增强器为基础,设计了一款匹配于日盲紫外像增强器的紫外光学系统,以提升探测器的探测性能。光学系统的工作波段在240~280 nm,视场角40°,相对孔径为1/2.5。系统由5块标准球面镜组成,光学系统总长50.74mm;光学传递函数在空间频率为401p/mm时,轴上不小于0.8,轴外不小于0.6;成像质量良好,结构紧凑,满足设计要求。

基于硅基液晶技术的嵌入式投影物镜的设计

为了适应投影设备向微型化和嵌入式的发展趋势,以光学设计理论为基础,使用Zemax软件设计一款基于硅基液晶(LCOS)投影技术的嵌入式投影物镜。该镜头由6片球面玻璃镜片组成,有效焦距为9.8mm,相对孔径为1/3,全视场角为56°,光学总长控制在21mm,最小镜片厚度大于0.4mm,在镜头分辨率70lp/mm处,全视场调制传递函数(MTF)值皆大于0.45,畸变值小于1%。优化结果满足设计要求,且镜片经过加工样板的匹配,能够满足生产加工的需要。

成像物镜集成公差分配与定心装调技术研究

针对高分辨率对准成像镜头对装配误差的严苛要求,提出了一种成像物镜装配公差分配和定心装调技术以满足光学系统集成要求。以分辨率为2μm的成像物镜为例,分析了影响光学镜头成像质量的误差来源,进行了公差仿真分析和加工公差分配。集成测试过程中以中心偏差测量仪为辅助工具,进行了镜组光轴精确校准,其光轴偏心小于20μm,光轴倾斜小于144″。最后将集成结果数据代入光学仿真软件进行像质分析并实测图像结果进行对比分析。结果表明:运用该方法,各镜片间的光轴偏心误差和倾斜误差能够匹配公差分配要求,成像效果满足镜头像质需求。

基于掩膜相位板的鼻内镜成像优化研究

我国鼻内窥镜受加工,装调等因素的影响,内窥镜在实际使用时的分辨率及像差情况要明显差于设计水平,论文经过公差分析,得出偏心公差对结果影响巨大,基于以上问题,文章在设计的一款视场角为80°,入瞳直径为0.2mm的鼻窦物镜基础上,模拟装调误差,提出在不改变装调后鼻窦物镜机械结构的前提下,在物镜保护玻璃前方加入掩膜相位板补偿装调误差导致的成像质量下降;从设计结果可知,添加掩膜相位板后系统传函图从在空间频率30lp/mm等于0提升到170lp/mm大于0.2;用N3鉴别率板检测系统分辨率,物方可分辨18组左右,物方分辨率为15μm。由此可知在补偿掩膜相位板的设计中,在不改变原设计基础上,可明显提高像质。

方形孔径棱镜式成像光谱仪光学设计

为满足星载高光谱成像的需要,通过分析实际星载成像光谱仪应用需求,确定了光学设计的指标。设计中,使用方形孔径代替圆形孔径,采用双胶合棱镜和单棱镜作为分光元件分别设计可见近红外(VNIR)和短波红外(SWIR)光谱仪,并利用远心离轴三反结构设计望远物镜;分析了双胶合棱镜校正色散非线性的原理,利用光学软件Zemax分别设计了望远物镜和光谱仪系统,并采用沿轨方向视场分离的方法实现了SWIR和VNIR的分别成像。对光学系统的整体分析结果表明,该系统能够满足光谱分辨率和地面分辨率指标的要求,方形尺寸不仅可减小成像光谱仪的纵向尺寸,更有助于对像差的校正,利于实际工程应用。对VNIR波段色散结果的分析表明胶合棱镜能够很好地校正棱镜色散非线性。

全谱段高光谱成像仪光学系统设计

为满足全谱段高光谱成像探测一体化应用需求,开展了可见至长波红外(LWIR)共口径成像光谱仪光学设计。前置像方远心物镜采用离轴三反结构实现,利用视场分离分光和分色片分光相结合的方法实现了可见至LWIR的四谱段划分。后置光谱仪采用非对称式凸面光栅Offner结构,将中波红外(MWIR)与LWIR光谱仪的放大率设置为0.90和0.61,以满足设计指标和成像质量的要求。设计和分析结果表明:所提系统在600 km轨道高度处的幅宽为30 km;可见至短波红外(SWIR)的F数为2.6,可见/近红外(VNIR)光谱分辨率和SWIR光谱分辨率分别优于5 nm和10 nm,像元分辨率为30 m;MWIR谱段和LWIR谱段的F数分别达到2.3和1.5,光谱分辨率分别优于50 nm和100 nm,像元分辨率分别为50 m和74 m;各谱段在Nyquist频率处的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,谱线弯曲和色畸变均小于探测器像元尺寸的1/10。