基于Q型非球面的全景环带红外光学系统设计

全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中,光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大,同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论,讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法,将Q型(Q-Type多项式)非球面引入全景头部单元增加优化变量,用偏离因子因子k_(RMS)数值表征非球面加工难度,设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率(20线对/mm)处调制传递函数优于0.5;全视场像元(25μm×25μm区域内)能量集中度优于65%,像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进,满足超大视场实时成像的应用需求。

基于Q-con非球面的折反射式全景光学系统设计

为了获得大视场管道内壁全景成像,利用Q-type非球面中的Q-con非球面设计了一款工作在可见光波段,视场大小为(65°~115°)×360°,焦距为1.24 mm,F数为3.5,总长为100 mm的折反射式全景光学系统。该系统由1片反射镜、8片透镜组成,其中反射镜单元采用Q-con非球面面型,其余透镜均为球面。在尼奎斯特频率93 lp/mm处调制传递函数大于0.4,成像质量接近衍射极限。为验证Q-con面型相对于偶次非球面面型在折反射式光学系统设计中的优势,实际设计了一款与Q-con非球面折反射式全景系统具有相同参数的偶次非球面折反射式全景系统,对两者进行了分析比较。结果表明,相对于偶次非球面,Q-con非球面多项式系数比对应的偶次非球面的多5~17个数量级,不仅有效的提高了系统设计效率、加工与检测精度、减小成本,同时也可以实现像质更高、口径更小的设计结果。

一次性硬膜外腔内窥镜光学系统设计

为了获得硬膜外腔的大视场清晰影像,利用Q-type非球面设计了工作波段为可见光,视场角为90°,F数为4,接收器为0.14 cm(1/18 inch)CMOS传感器的一次性硬膜外腔内窥镜光学系统。系统由3片塑料透镜和1片盖玻片组成,其中第3片透镜采用Q-type非球面,结构简单、紧凑、成本低。像质评价结果表明:在奈奎斯特频率200 lp/mm处各视场的调制传递函数均大于0.27,接近衍射极限;各视场均方根半径都小于像元尺寸2.5μm,均在艾里斑范围内;最大剩余畸变小于20%,满足高像质要求。最后,对系统的鬼像进行了分析与规避,结果表明,光瞳鬼像形成的光斑能量弥散,对像面照度均匀性影响较小;焦点鬼像形成的光斑尺寸远大于主像点列图,对成像质量影响较小,满足成像要求。

含多个非球面大视场卡塞格林系统光学设计

基于Ritchey-Chretien系统,采用CODEV软件设计了具有4个非球面(包含2个高次非球面)的折反式光学系统.系统焦距为880mm,F数为5.6,波段0.43～0.7μm,视场角3°.结果表明,该系统在空间分辨率为60lp/mm时,调制传递函数大于0.5,成像质量接近衍射极限.该系统结构简单、体积小、重量轻,适用于航空遥感应用环境.

高空预警探测用450mm口径红外非球面光学系统设计

针对高空预警探测系统中红外光学系统的需求,在分析大口径光学系统结构特点的基础上,研究了非球面系统的特点,结合两镜R-C系统结构计算方法,提出系统主要性能指标,并设计了一个符合要求的450 mm口径红外非球面光学系统。系统采用全非球面的设计,经过系统优化、像差和热差分析。该系统具有结构简单、质量轻、口径大、焦距长、失真小以及良好温度适应性等特点。

基于Forbes非球面的胶囊内窥镜光学系统设计

设计了一套WCE光学系统,对可见光波段成像。采用反远距的光学结构形式,共使用4片透镜,引入两个Forbes非球面来提高系统的整体性能,并做到仪器的小型化。系统视场角150°,相对孔径1/3,入瞳直径0.35 mm,总长8.3 mm。各视场的调制传递函数曲线在奈奎斯特频率143 lp/mm时均高于0.6,分辨率较高;各视场的点列图几乎都在艾里斑之内;彗差、像散、场曲、畸变、倍率色差等轴外像差也得到了很好的校正,成像质量较好,能够满足WCE光学系统的要求。

高次非球面光学系统的自动设计

利用计算机实现高次非球面光学系统的自动设计,是从根本上克服此类系统设计之难的必由之路。本文根据一个已经实用的程序讨论高次非球面自动设计的难点、新型质量指标的建立、对单一优化思想的改造、对发散或慢收敛状态的处理及如何设计程序等主要问题。

非球面系统的波差法光学设计

采用波差法进行非球面系统的光学设计,非球面用于常规光学系统可以提供附加设计参数和选择光学材料的自由度。本文主要研究了用波像差推导了非球面元件的初级象差,分析了产生差别的物理实质。给出一、三级成像特性与色差公式,波差法基于球差与波差的联系,并进行波差与结构参数之间的推导得出方程式,可解析求解满足初级象差平衡的光学系统的初始结构参数,用ZEMAX校正可以得到满意的结果,采用波差法进行非球面光学系统的光学设计简单易行,且设计的物镜质量高,成本低。

添加非球面的虚拟现实显示器光学设计

为了优化用户体验,满足虚拟现实显示器的携带方便、高成像质量的需求,使用逆向光路设计法,利用软件仿真与理论结合,设计了一种含非球面结构的VR显示系统,并进行了像质评价和公差分析。每个单目视场都有4片非球面透镜,视场角为90°,将出瞳直径为6mm,出瞳距离12.55mm,在奈奎斯特频率(14 lp/mm)处调制传递函数大于0.25最大畸变率为12.23%;文中的结构紧凑,成像质量较高,符合VR眼镜头戴显示器的设计要求。

非共轴非球面光学系统计算软件设计

本文描述了一个非常规光学系统计算软件。光学系统可包括倾斜、偏心的球面和非球面。本文解决了一般非共轴光学系统初始数据建立问题,提供了光学系统图形显示,并对光线光路追迹结果进行了一些处理和讨论。

共轴非对称球面光学系统仿真模型设计

为了优化共轴非对称球面光学系统的设计,对共轴非对称球面光学系统进行了数字化模型的开发,设计了基于计算机仿真的数学模型。在此基础上运用模块化程序设计思想,设计了仿真模型的模块化结构,利用交互技术解决了实验参数的人机交互,并开发了仿真模型核心模块的程序代码,建立了完整的基于计算机系统的共轴非对称球面光学系统仿真模型。该仿真模型实现了系统参数变化时成像效果的自动跟踪模拟,可以为共轴非对称球面光学系统的优化设计提供效果仿真。

可调偶次非球面液体透镜和变焦距光学系统的仿真研究

本文提出了一种结合电润湿效应和静电力共同作用的可调偶次非球面液体透镜,利用Comsol Multiphysics软件对非球面液体透镜进行仿真研究,四圆环电极产生的静电力可以灵活地调整液体透镜的面型。利用该液体透镜设计了变焦光学系统,采用Zemax软件获得优化校正像差的非球面方程。作为可调偶次非球面液体透镜的目标面型,调整电润湿电极和四圆环电极上的电压,仿真得到的非球面与目标非球面间的光程均方根误差小于λ14,满足Marechal判据。在26~30 mm焦距范围内,与环形电极电压为0 V的液体透镜系统相比,环形电极施加调节电压的可调偶次非球面液体透镜变焦距系统有良好的成像效果。

高斯光束整形为平顶光束的非球面镜系统设计与优化

本文利用费米-狄拉克函数建立了平面顶部的光束模型,并对其进行了理论推导。然后,利用光学仿真软件建立高斯光束整型系统模型,利用光场的物理光学传播规律追踪光学系统,得出了光束的强度分布及特征,并分析仿真结果,该结果可为高斯光束整形为平顶光束的非球面镜系统奠定理论基础。

激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计

为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化,简化光学系统结构,设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统,研究了该系统的分光路设计原理,给出了遮拦比与视场角的关系,实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7~9.5μm和激光1.064μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为-40~80℃时,长波红外波段各视场MTF值均大于0.13,激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变,实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。

基于非球面固定校正镜的共形光学系统设计

设计了一种使用固定校正器进行像差校正的共型光学系统,固定校正器采用大口径非球面透镜,对各子跟踪场的像差进行了严格校正。位于固定校正器后的成像系统进行回转跟踪时,搜索角度最大可达±80°,成像质量较好,且不会产生半球形整流罩光学系统在大角度搜索时容易出现的挡光现象。光学系统光阑与探测器冷屏重合,冷光阑效率达到100%。

紧凑低成本非制冷长波红外连续变焦光学设计

随着红外技术的快速发展,SWaP-C(尺寸小、质量轻、功耗低、成本低)概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中,相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本,因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题,通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸;利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长;通过主动补偿的消热差技术使得系统在-40~+60℃温度范围成像质量良好,实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8~12μm,焦距变化范围为20.7~126 mm,对应F#为1.05~1.2,视场变化范围为21°×16.8°~3.5°×2.8°,变倍比为6.0×,最大物镜直径116 mm,光学系统总长180 mm,光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征,将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏序言

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。

光纤端面光学检测非球面物镜系统设计

针对传统的基于球面显微成像的光纤连接器端面检测系统结构和像差的问题,将制作工艺日趋成熟的非球面模压玻璃透镜引入到检测系统中。介绍了非球面透镜设计的基本原理和非球面光学玻璃透镜模压成型的基本工艺,分别设计了球面透镜和非球面模压透镜检测系统,给出了系统的结构参数,评价了系统的成像质量。在系统分辨率相同的情况下,得到了结构简单、共轭距更短,有利于工程应用的非球面检测系统。给出了检测系统的机械结构图,并将非球面系统应用到实际生产和在线检测中,达到了设计的要求。

非球面光学设计技术综述

非球面光学在工业、国防和商业等领域的应用中具有十分重要的意义。当用非球面设计光学系统时,非球面方程的选用十分重要,决定着系统最佳优化结果。文章介绍了非球面光学技术的发展过程,分析了常用非球面的应用方程,井对非球面应用方程的特点及非球面系数的关系进行了概述,较详细地分析了各类非球面应用方程的适用范围,最后概述了非球面光学在军事、工业等领域的应用以及发展趋势。

采用多种群遗传算法的全景成像系统非球面设计

提出了一种基于多种群遗传算法（MPGA）的折反射全景成像系统非球面元件的设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面两镜系统像散表达式。在此基础上,利用MPGA,以像散作为非球面两镜系统像差评价参数,求解出满足消像散及指定透视投影关系的非球面面形方程。给出MPGA求解非球面面形的实现过程,并用遗传算法最小二乘混合优化算法得到了便于实现光线追迹和像差计算的非球面多项式。研制了一个焦距为-1.2 mm,F数为1.5,视场为360°×（35-90°）的折反射全景成像系统,给出了实验图像,获得了较好的成像质量。