大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

用于多光谱照明通信的大视场接收光学天线设计

针对多光谱照明通信要求,提出了一种新型大视场高增益光学天线。天线采用前组三片式负组透镜、后组四片式正组透镜组合的反远距天线结构,通过理论计算、Zemax设计优化,设计出视场角(FOV)90°、增益115的大视场高增益前置接收光学天线,同时具有较小的体积。该光学天线与色散分光系统联合仿真表明,该天线可实现视场角90°×22°、增益20,适用于多光谱照明通信。同时设计出的前置光学接收天线也可独立作为大视场成像光学系统、成像光谱仪前置物镜系统等,具有广泛的适应性。     

反远距成像相移剪切散斑干涉检测系统

为了扩大传统剪切散斑干涉仪的检测视场,设计了一种反远距成像迈克尔逊式剪切散斑干涉系统。采用负透镜组与标准成像镜头组成反远距成像系统,分析了光路的成像参量,并利用ZEMAX软件进行了模拟;讨论了发散光路时间相移的非均匀性,采用等步长相移算法进行相位解算可以弥补非均匀误差;并对中心加载的橡胶平板进行了测量。结果表明,该系统能有效地扩大成像视场,采用3片焦距为-75mm的平凹镜片可以实现70°视场角的散斑干涉检测,通过调整平凹镜片的焦距和数量可以实时调整成像视场。     

反远距成像相移剪切散斑干涉检测系统

为了扩大传统剪切散斑干涉仪的检测视场,设计了一种反远距成像迈克尔逊式剪切散斑干涉系统。采用负透镜组与标准成像镜头组成反远距成像系统,分析了光路的成像参量,并利用ZEMAX软件进行了模拟;讨论了发散光路时间相移的非均匀性,采用等步长相移算法进行相位解算可以弥补非均匀误差;并对中心加载的橡胶平板进行了测量。结果表明,该系统能有效地扩大成像视场,采用3片焦距为-75mm的平凹镜片可以实现70°视场角的散斑干涉检测,通过调整平凹镜片的焦距和数量可以实时调整成像视场。     

小型化同心反射式手机镜头设计

基于现代社会对手机镜头高像素、小型化的要求,基于同心透镜原理设计了同心反射式手机镜头。通过光路计算,求解了系统的球差表达式,进一步获得了系统的初始结构。利用光学设计软件设计了光学系统,镜头采用像元大小为1.25 μm的曲面传感器,光学系统的F数为1.8,焦距为2.7 mm,最大全视场角为100°,系统总长为2.7 mm。设计结果表明,在空间截止频率400 lp/mm处,0.7视场的调制传递函数均大于0.34,全视场的调制传递函数均大于0.23,各视场的弥散斑半径均小于艾里斑。在全视场内,相对照度高于0.64,该设计满足手机镜头成像要求。     

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。     

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。     

基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系 统设计

针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求,设计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统.该系统采用由多层共心球透镜和可连续变焦的独立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构,能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像.此外,采用全动变焦设计的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定,实现对成像场景的分区域管理.设计结果表明,该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数(MTF)曲线均接近衍射极限,且变焦曲线平滑,避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生,能有效实现大视场监测及小视场识别的功能.     

折反式周视红外成像系统光学设计

为增大周视成像系统视场的同时有效降低红外光学系统的复杂度,采用折反式光学结构,通过反射镜及透镜光焦度的合理分配,引入衍射面。分别设计了视场为360°×（-40°～50°）的折反式一次成像非制冷红外周视成像光学系统及视场为360°×（-30°～50°）的折反式二次成像光学系统。其工作波段为8～12 μm,光学系统F数为1.2。该系统可实现360°全方位和一定俯仰角度范围内凝视成像。设计结果表明,该系统的结构简单紧凑,后截距大,成像良好,在空间频率20 1p/mm处的调制传递函数(Modulated Transfer Function, MTF)值大于0.4,能满足应用需求。     

非成像式激光告警系统的光学设计及优化

针对非成像式激光告警系统的工作特点与要求,提出并设计了一种双片式柱透镜光学结构。对柱面光线追迹以及柱透镜成像进行了深入分析,提出了一种新型像差优化方法,使其在子午方向各个视场的调制传递函数得到最大幅度的优化。此光学系统由两片硒化锌柱透镜组成,满足了1.0~4.0 m 工作波长范围,并且克服了传统单片式柱透镜和柱面反射镜视场通常小于1且聚焦线斑不理想的缺点,其视场达到20,在7lp/mm 空间分辨率条件下,边缘视场子午方向的调制传递函数值优于0.7,达到了非成像式激光告警系统的要求。     

50~100 μm太赫兹成像物镜设计

根据太赫兹探测成像用户的需求,设计了一种适用于太赫兹波段的光学系统。其焦距为50 mm,F数为1,工作波段为50~100μm,接收器为非致冷型IRM160A红外探测器,全视场角为11.9°。该系统采用共轴式结构,由3片球面透镜和1片CCD保护玻璃组成,并使用了Topas COC新型材料。另外还引入了1个非球面,以实现系统结构简单、重量轻和成本低的目标。设计结果表明,当截止频率为10 cy/mm时,该光学系统的调制传递函数接近衍射极限,各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径,并具有良好的成像质量,因此能够满足太赫兹光学系统的总体设计要求。     

全向凝视光电成像系统鱼眼透镜的设计

为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警,以大视场成像理论和像差理论为基础,采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性,通过光线追迹减小系统轴外像差,对系统成像质量进行多次评价与分析,并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明,在可见光波段,得到了成像质量良好的鱼眼透镜,CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm,有效像素为2448×2050,视场为180°,焦距为2.24mm,相对孔径为1:2.8,像面照度均匀性达到90%以上,点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元,光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。     

液晶微透镜阵列直接成像

针对传统显微镜结构复杂且视场角小等问题，提出一种两路低电压驱动的液晶微透镜阵列结构，透镜的焦距由3个电极控制，中间电极为圆孔阵列图案电极，作为孔径光阑以阻止微透镜外的杂散光。对该阵列的波前和光焦度进行了测试，搭建了一套简易液晶微透镜阵列直接成像系统，每个微透镜都对待观察物体的不同区域成像，通过近平行光照明减小相邻微透镜间的串扰，拼接所有单元图像得到完整图像。该系统无需额外的光学器件，结构简单紧凑。液晶微透镜阵列具有大视场，成像区域具备可扩展性，为实现大视场下的简易显微成像提供了新思路。     

轻小型立体相机光学系统研制

针对民用低成本立体成像的应用需求,设计了一种轻小型立体成像相机光学系统,旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像,该光学系统在焦面探测器配合下,既可实现立体成像,又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f'=32 mm,视场角2=66,相对孔径D/f'=1:6.8,工作谱段450~750 nm。光学系统设计中,采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式,最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm,几何畸变小于0.1%,边缘视场与中心视场照度比0.83,边缘视场与主光线入射角小于15。光学系统采用精密定心装配,并对成像质量进行了检测,装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm,满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。     

太赫兹大视场宽带消色差超构透镜北大核心CSCD

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像，需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3～0.5THz，数值孔径0.707，直径10mm，视场100°的太赫兹大视场消色差硅基超构透镜。该超构透镜采用了二次非球面型相位剖面，减小了轴外像差，实现了大视场；选取了相位和色散满足要求的单元进行布阵，消除了色差。因此，它有望被广泛应用在生物检测、太赫兹成像等领域。     

中波红外光学补偿三视场光学系统

针对320×240元致冷型凝视焦平面阵列探测器,设计了一种中波红外光学补偿三视场光学系统。该系统由变 焦物镜系统和二次成像系统构成,包括8块透镜(引入3个高次非球面,其余均为球面),并采用两个反射镜折叠光路。利用光学补偿变焦 原理和光学设计软件给出了系统的光学外形结构图,并对其像质和工艺性进行了分析。该系统可以通过对一组透镜的轴向定点移动实现 20°×15°、3.5°×2.6°和1.3°×1°三个视场的切换,系统变倍比为 1∶15。各视场在16 lp/mm空间频率处的光学传递函数(MTF)值均大于0.5,弥散斑直径的均方根(RMS) 值均小于20 m。工作波段为3.7 ～ 4.8 m,满足100 %冷光阑效率。该系统结构紧凑,工艺性好,成像质量高。     

星载紫外全景成像仪光学系统设计

采用全景环形透镜和中继透镜组组合的结构型式设计了一个中心波长360 nm,带宽10 nm,视场360（70.9～73.3）,焦距5 mm,相对孔径1:3.3的紫外全景成像仪光学系统。针对该光学系统视场大的特点,重点研究了提高其像面照度均匀性的方法。利用CODE V和ZEMAX光学设计软件进行了优化设计和设计结果分析,结果表明:点列图弥散斑半径的RMS值小于1/2像元,弥散斑80%的能量集中在一个像元内,光学传递函数0.72@38.5 lp/mm,f-畸变控制在0.4%以内,像面照度均匀性达到91%,设计结果满足指标要求,并且体积小,特别适合在空间大气探测等领域应用,也证明了提出的紫外全景成像仪光学设计方法是可行的,可在其他波段推广应用,对全景成像仪的设计具有指导意义。     

同心结构的小型化超广角监控镜头设计

为了满足监控镜头的小型化、高像质以及大视场的需求,利用同心结构的同心透镜,并依据曲面传感器的发展现状及趋势,设计了一款同心结构的曲面像面监控镜头光学系统。该监控系统的全视场角可达到140,有效焦距为7.88 mm,F数为1.5,系统总长15.12 mm,像素可达1 100万。设计结果表明,MTF值在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限,在全视场处均大于0.59;各个视场的弥散斑半径均小于0.6m。相比于已有的监控镜头光学系统,该设计在大视场范围内保证了优良的像质,并且实现了小型化。     

利用深度学习扩展双光子成像视场

双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域，但双光子成像视场较小（视场直径一般在1 mm以内），限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场，但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路，在低成本（无须特殊物镜，无须相位补偿装置）、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架，为使该网络框架可以更好地利用特征图信息，在该框架中引入残差模块和空间注意力机制，同时去除了数据归一化处理，以增加图像对比度信息。实验结果表明：所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术，增强扩展视场中的精细结构特征，并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比，使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm，峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点，有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.