应用泽尼克多项式自由曲面的成像物镜设计

为了解决自由曲面难以应用于成像系统设计的问题,通过对泽尼克多项式自由曲面的波像差的分析,对一种采用泽尼克多项式自由曲面的成像物镜进行研究.在对非球面离轴反射型成像物镜研究的基础上,应用泽尼克多项式归一化描述光学系统的波前边界,建立与赛得和像差之间的对应关系,推导出采用泽尼克多项式自由面替代偶次非球面的方法.设计采用三片泽尼克多项式自由曲面反射镜组成设计成像物镜,在100倍放大倍数、视场角为130°、相对孔径为2.5的条件下,调制传递函数实现100 lp/mm 60%以上,畸变小于2.0%.研究结果表明,应用泽尼克多项式自由曲面可以减小离轴光学系统像差,达到提高清晰度、简化光学系统结构的作用.

基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜消色差方法

为兼顾成像系统消色差及扩展焦深的特性,提出了一种基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜在可见光波段内消色差的方法。通过阐述对数光锥位相结构的特征,讨论了长焦深元件的色散特性,并依据折/衍混合消色差原理,确定长焦深成像物镜中折射元件与衍射元件位相函数重新分配的原则;位相重新分配后,衍射元件在承担扩展焦深功能的同时增加了部分消色差光焦度,从而使长焦深元件获得消色差特性。理论和仿真分析表明,位相函数重新分配后得到的长焦深元件在中心波长λd(587 nm)时的轴向光强分布与原长焦深元件一致,而在波长为λF(486 nm)、λc(656 nm)时的轴向光强分布区域重合,即在保留焦深扩展特性的同时,有效地校正了其在可见光波段内的初级色差。

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。

应用反射型球面菲涅耳波带片的成像物镜设计

设计了一种应用球面菲涅耳波带反射面与非球面反射面结合的成像物镜。对球面结构的菲涅耳波带反射面进行分析,推导了球面菲涅耳波带反射面近似替代非球面的方法,采用单片球面菲涅耳波带反射面和三片非球面反射面设计成像物镜,在放大倍数100×、视场角120°、菲涅耳数2.5情况下,调制传递函数在放大成像侧可实现0.6 lp/mm的40%以上,畸变小于2.2%。该设计方法为菲涅耳波带片应用于可见光成像提供了参考,并随着菲涅耳器件加工技术的不断发展具有良好的应用前景。

基于波像差法的物镜成像系统设计

基于波动光学光程差建立的光学系统像差理论,波像差由理想波面算起,表示实际波面与理想波面的差距,理想波面可以理解为以理想像点为中心的一个波面,所以光程差也就是波像差。根据光学元件材料折射率对成像光束波像差进行修正,将像差理论扩展到折射光学系统,使得该理论可应用于光束斜入射成像光学系统的像差计算;在光学成像系统中考虑像方空间折射率的关系,以及入射角方向的定义,使得波像差的计算表达式保持统一;应用扩展后的像差理论对成像面光学系统进行像差分析计算,并与Zemax光线追迹结果进行对比,验证波像差理论的有效性。结果表明:该像差理论为光束斜入射成像光学系统的设计、像质评价及优化提供了有效的分析手段。

高分辨率大视场DTI-CCD成像物镜的设计与实现

现代光学系统中,以CCD图像传感器为探测器的图像采集子系统主要由成像物镜和CCD器件组成。成像物镜的光学特性决定了整个系统的使用性能,成像物镜的分辨率应与CCD图像传感器的像素尺寸相适配。通过运用双远心系统,并使用OSLO软件进行结构设计,实现了对高分辨率大视场DTI-CCD成像物镜的成功设计。

大视场双光子显微成像系统研究进展(特邀)

双光子显微成像具备高分辨率、天然层析能力和大穿透深度等特点,在活体动物成像中发挥着重要作用。然而,如何在维持高分辨率的条件下,扩大双光子的成像视场,来满足生物医学中对大规模动态反应的监测需求,一直以来都是光学显微成像领域的难点,也是科研关注的重点。综述了大视场双光子成像技术的研究进展。首先介绍了双光子显微成像系统的产生背景和设计原理,并从光学不变量的角度阐述了实现大视场双光子成像的理论基础。然后重点回顾了现有的几种大视场双光子成像方法,分别包括了扫描中继系统的边缘像差校准、高通量物镜的设计研发和自适应光学方法的使用。基于双光子成像的高时间和空间分辨特性,大视场双光子成像技术将成为一种在脑科学等需介观高分辨成像领域的应用中实现大区域动态监测的强有力的工具。

天幕靶光学系统性能分析

基于天幕靶的工作原理及现场使用特点,论述了组成天幕靶光学系统的透镜、狭缝、光学变换的功能及相互之间的关系,分析了光学成像透镜的焦距和孔径、狭缝尺寸(长、宽)和位置、光学变换方法等对形成光幕、汇聚光能的作用,以及对探测视场、探测灵敏度、工作稳定性等的影响.针对天空亮度变化过高或过低两个极端条件下,给出了光学透镜、狭缝和光学变换等参数的选择原则.

一种新颖的头盔式微光夜视系统设计

提出了一种新颖的头盔式微光夜视系统架构形式,对其光学系统进行了研究.针对具体的头盔式微光夜视系统,运用CODE V光学设计仿真软件,设计了焦距为6.7mm,视场角为50°,相对孔径为1/1.25,光谱范围625nm-930nm的成像物镜;同时与之对应,设计了视场角为50°护目镜型头盔显示系统.结果是该成像物镜结构紧凑,镜筒长仅27.9mm,总长小于40mm,全视场畸变小于2%,在空间频率为50lp/mm时,全视场调整传递函数(MTF)值大于0.2;护目镜型头盔显示系统全视场畸变小于10%,在空间频率为50lp/mm时,MTF值接近0.2.不仅非常好地满足了头盔式微光夜视系统性能要求,而且极大地改善了传统头盔微光夜视仪的人机工效.

羽流紫外辐射监视单元光学系统设计

为了在卫星姿态调整时监测羽流紫外(UV)辐射,需要研制紫外宽波段、大视场、小尺寸的光学系统。根据紫外成像的基本原理,提出了采用融石英和氟化钙(CaF2)两种光学材料实现大视场、大光圈的初始结构,给出了一种焦距为25mm,视场为40°,光圈F值为2的全球面光学系统的方案。利用光学设计软件Zemax和Code V对光学系统进行优化,得到满足要求的紫外成像物镜。系统各个视场的弥散斑直径小于11μm,探测器特征频率在40lp/mm处,各个视场的传递函数大于0.6,满足加工和状态的要求。与其他紫外成像物镜相比,系统实现了大视场、大光圈,且各镜面全部为球面,有效降低了成本,缩短了加工周期。