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.     

非球面液滴透镜在LD光束整形中的应用

根据电场作用改变液滴面形的原理,提出直接在半导体激光管封装窗口上制作非球面透镜来准直半导体激光器的光束.在研制的半导体激光器准直和实时检测系统中,使用SU-8光刻胶滴于半导体激光器封装窗口上,同时限制液滴底面轮廓,用电场操控液滴透镜的面形,通过实时检测系统检测到较好的光束状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化成固体透镜,在半导体激光管封装窗口上制作出具有两种焦距的准直透镜,从而完成准直半导体激光器的制作.实验表明:所制作出的液滴透镜可同时对相互垂直方向上不等的发散角进行准直,发散角分别可达到θ⊥=14 mrad.θ∥=10 mrad.     

非球面液滴微透镜的轮廓测量方法

对液滴透镜面形的精确测量是用液滴法制作非球面液滴透镜的关键问题之一。提出了一种基于数字图像处理的测量非球面液滴微透镜轮廓的方法,利用光学成像系统将非球面液滴透镜的轮廓成像在CCD接收面上,通过图像采集卡读入计算机,并经图像处理得出透镜面形表达式,以便研究液滴微透镜在不同电场强度下轮廓的变化规律。图像处理的主要步骤包括：对特定区域采取平滑预处理,去除噪声;利用阈值法将灰度图二值化;对二值化后的图像进行轮廓检测;提出了一种简单有效的方法矫正图像的水平偏转;对矫正过后的液滴轮廓的数据进行多项式拟合,分析液滴透镜在不同电压下的各个拟合参数的变化。实验证明：这种方法用于测量非球面液滴微透镜简单、有效,解决了非球面微透镜制作过程中的液滴轮廓的实时测量问题,有助于低像差非球面液滴微透镜的研制。     

倒置液滴法的非球面微小透镜制作及实验研究

非球面透镜具有优良的光学性能,为了实现利用液滴法制作非球面微小透镜,基于流体动力学二相流原理,利用COMSOL建立了层流液滴的流动模型,计算了不同体积下正置和倒置液滴内部的流动速度和压力分布及其稳态下的面形;结合实验考察了不同体积力作用对光固化液滴所得透镜面形轮廓非球面系数K及几何参数的影响。结果表明,计算与实验具有很好一致性,正置液滴透镜为K>0的扁椭球面,倒置液滴透镜的K值均为负值,且液滴体积越大越趋于双曲面;同时,倒置液滴透镜不仅具有更小的顶点曲率半径和底径,相近体积下(V=1.6,2.4μL)倒置液滴透镜聚焦光斑RMS值比正置液滴透镜的RMS值分别减小36%和45%;较大体积所得透镜具有更清晰的边缘和成像质量。因此,利用倒置液滴制作的非球面透镜具有更小的焦斑和优良的成像性能。     

激光二极管准直中非球面透镜的应用

激光二极管(LD)准直打线的过程中,影响线宽的主要因素主要有:准直透镜的像差、焦距以及准直透镜后面柱面镜的曲率半径。主要分析了准直透镜对LD准直打线性能的影响。首先用Zemax软件模拟了非球面透镜和球面透镜组在LD准直打线的性能;并用高斯光传播公式在不考虑像差的情况下推导出线宽和透镜焦距的关系;最后对9款不同焦距的LightPath非球面透镜进行了LD准直打线的实验。实验结果表明与计算结果基本相符,并且在小像差系统中线宽与准直透镜的焦距成反比关系。     

使用双波带板径向剪切干涉仪检测非球面透镜

为了实现对光学非球面的低成本在线测量,在比较和分析现有非球面检测技术的基础上,设计并制作了一种小型径向剪切干涉仪用于检测非球面透镜。基于波带板可以聚焦成像的原理,该干涉仪采用不同焦距的双波带板产生径向剪切干涉。波带板由工业缩微矢量图制版技术设计和制作而成,并通过实验验证了该波带板的聚焦精度。采用傅里叶变换条纹相位分析法对干涉条纹进行处理,计算出波相差和波面面形。实验中给出了平面波光束经过一个非球面透镜后的波面面形检测结果和误差分析,使用该技术对标准非球面进行测试,波差峰谷值(P-V)达到了λ/5的精度,均方差(RMS)达到λ/10的精度。结果表明,该干涉仪具有体积小、抗干扰能力强等特点,适用于对小型非球面透镜进行在线检测。     

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。     

大口径凸非球面面形检测方法研究

提出了在非球面检验中以反射镜补偿法线像差的方法,用于大口径凸非球面透镜的检测,克服了在检测大口径非球面透镜时一般需要采用多片透镜补偿的困难,降低了设计难度和装调难度,节约了加工成本。设计并研制了大口径凸非球面透镜检测系统,对误差来源进行了分析并给出消除方法。对直径Φ270mm的凸非球面透镜进行检测,测得的非球面面形误差峰谷(PV)值与均方根(RMS)值分别为0.585λ和0.083λ。该方法为大口径非球面透镜检测提供了技术参考,能够适用于大口径透镜粗抛光阶段中的面形检测。     

用于光丝激光雷达收集系统的非球面环带菲涅耳透镜设计

为满足激光雷达收集系统对远距离荧光信号探测要求,提出了一种基于多软件协同循环优化各环带面形的非球面环带菲涅耳透镜设计方法,并进行了透镜面形误差分析及透镜样件性能测试。利用该方法设计了一个直径为300 mm、焦距为670 mm的高收集效率菲涅耳透镜,使用LightTools软件对设计的菲涅耳透镜进行了光学仿真,收集效率可达52.2%。仿真和实验结果均表明：在400～950 nm光谱范围内,设计的菲涅耳透镜减小了透镜球差和色差对收集系统的影响,具有较高的能量收集效率,提高了系统光能利用率,满足系统性能指标要求。     

胶合式全景环形透镜的设计

介绍了一种新的胶合式全景环形透镜(PAL),改善了全景环形透镜的设计自由度,使全景透镜承担部分校正色差的任务,简化后继透镜组的结构,减少杂散光生成,缩小长焦距全景环形透镜光学系统的体积,并扩大系统的视场.对全景环形透镜的色差和视场进行了理论分析,给出了选择新型全景环形透镜胶合玻璃材料的方法.设计了一个双片胶合式全景环形透镜及其后继转像透镜组,系统焦距为10.3mm,总长170 mm,孔径为f/3.7,PAL最大口径为70mm,光谱范围为0.486-0.656 μm(可见光谱).后继转像镜组由8片透镜构成,系统后焦距(BFL)为17 mm.实验结果证明系统像差校正良好.     

基于非球面透镜的光纤耦合系统设计

有效将激光耦合进单模光纤是自由空间光通信的关键技术。为了改善聚焦光束质量和降低耦合损耗,首先设计了消球差非球面透镜,并采用精密光纤支架对耦合光纤进行准确定位使耦合光聚焦在光纤端面上。实验表明,该耦合系统的耦合效率达到60%以上。     

硫系玻璃在民用红外车载成像系统中的应用

针对324256非制冷探测器,设计了一个工作波段为8~12 m,有效焦距为9 mm,F数为1.3,视场角为33.2626.28的红外车载镜头。镜头采用了硫系玻璃材料Ge28Sb12Se60制备的两片镜片,结合常规红外材料锗以及硫化锌材料制备其他两片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统整体无热化设计的效果。利用硫系玻璃易于精密模压制备非球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面。设计结果表明该系统在-40~60 ℃的温度范围内具有良好的消色差/热差性能,且调制传递函数(MTF)接近衍射极限。     

用平凸透镜制作大口径光栅的像差分析

分析使用两个对称的单平凸透镜光路制作光栅并用MATLAB编写光线追迹程序分析了所制作的光栅的衍射波像差的特点,经计算得出在较小焦比D/F情况下其衍射波像差仅与两支光路点光源的调节偏差之差有关与单独的各个偏差无关;初级像差中球差很小几乎可忽略:彗差仅与垂轴调节偏差之差成线性关系;像散仅与轴向调节偏差之差成正比;且当平凸透镜的焦比D/F增大时,各像差项迅速增大.点光源调节偏差一致时的衍射波像差随着系统的焦比D/F增大而迅速增大,并分析了当透镜的焦比D/F一定时,透镜的焦距与所制作的光栅的空间频率对衍射波像差的影响.     

非球面变焦距曲面复眼的优化研究

提出了一种新型的非球面变焦距曲面复眼结构。整个结构将曲面基底分为三个类扇形区域,每一区域微透镜阵列能够对一定物距的目标物成像,使得人造复眼在一定范围内实现焦距调节;根据微透镜所处的区域和位置,计算出微透镜的基本尺寸,并对微透镜进行了非球面优化。对所设计的曲面复眼进行了光线追迹,仿真结果表明成像球差降低到初始值的近百分之一,能够实现焦距调节,并解决了每一个微透镜在边缘处的球差问题,极大的提高了成像效果。     

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。     

静电圆锥透镜曲轴电子束聚焦理论的研究

在曲轴宽电子束聚焦理论的基础上，本文研究了静电圆锥透镜聚焦性质，提出了静电场中考虑主轨迹为平面曲线情况下电子束的焦点、焦距等电子光学基本参量的定义。作为例子，给出了两种类型的静电圆锥透镜的电子光学在不同电参量下的关系曲线。     

Diffraction-limited geodesic lens for integrated optic circuit

Experimental and theoretical results are presented for aberration-free (except field curvatuve) geodesic lenses. A technique of calculating the aspherical lens profile with a rounded edge is summarized. A smooth transition at the lens edge is necessary to prevent undesirable scattering between the planar guide and the guide in the lens depression. Aberration-free lenses with diffraction-limited performance have been fabricated in both glass and LiNbO3substrates. The experimental results indicate lens performance, other than the change of focal length, is not severely affected by the profile deviation resulting from lens fabrication. This is further supported by the profile tolerance analysis described in the paper.     

4P超薄800万像素镜头设计

针对手机镜头很难同时实现高成像质量和短总长的实际问题,通过对初始结构进行优化设计,得到一款全部采用光学塑料为透镜材料的超薄手机镜头。镜头采用四片式结构,光阑位于镜头前方,镜片全部采用偶次非球面。该镜头总长4.49 mm,F 数为2.4,视场角为65.5,焦距为3.71 mm,在探测器Nyquist 频率处MTF 均大于0.14,在半Nyquist 频率处MTF 均大于0.46,且畸变小于1.5%。光学系统各视场的均方根半径小于3.5 m。采用索尼公司的IMX111 型号CMOS 探测器,最大分辨率为32642448。通过模拟计算,得到该手机镜头的离焦量为144m。通过调焦,可以在物距大于10cm 时,得到像质较好的图像。通过灵敏度分析,镜头公差满足加工要求。该镜头设计长度较短,采用非球面塑料透镜,生产成本较低,成像性能良好,满足手机镜头的使用要求。