基于实际眼结构的个性化投影式头盔物镜研制

利用实际人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据和眼轴向深度数据建立了个体人眼光学系统。然后以能够在实际人眼视网膜上理想成像为优化目标,设计和研制了既能矫正物镜本身像差又能矫正实际人眼光学系统像差的个性化68°大视场投影式头盔物镜,给出了头盔佩带者视网膜上的成像质量,其中畸变仅为2%,横向色差为10.0μm,分辨率为50lp/mm,在没有采用衍射元件的情况下,加工装配后头盔物镜的总质量小于18g,能够满足现代化高性能、大视场、轻型化头盔的要求。     

小畸变针孔广角镜头的设计

针孔摄像机广泛应用于图像监视领域,随着镜头视场角的增大,成像范围增大,图像会产生形变,畸变难以校正。为了控制摄像机的系统畸变并且提高其成像质量,提出了基本结构采取物镜后接转像系统的光学系统,其工作距离为10米,全视场角为100°,相对孔径为1/2,入瞳在光学系统最外侧,焦距为1.67mm,接收器为1/4英寸CCD。优化后全视场畸变小于2%,在200lp/mm空间频率处的MTF值都大于0.3。系统很好的校正了球差、色差和场曲。实现了大视场小畸变的光学特性,适合隐蔽监控场合。     

红外投影系统光学被动无热化设计

针对红外成像系统的检测和评估需求,基于光学被动消热差原理,设计了一套用于中波红外仿真系统的投影系统。讨论了红外仿真系统所用投影光学系统的设计思想和设计方法,并对最终的成像效果进行了分析。该系统焦距为250mm,F/2.5,视场角为±2°,总系统长度500mm。依据二次成像系统的设计方法,实现了100%冷光阑效率,且其调制传递函数在17lp/mm处接近于衍射极限,能在-20℃~60℃范围内无需调焦便可保证成像的稳定性,具有分辨率高、均匀性好、可加工性强等优点。     

大视场光学显微技术的研究

研究了一种可实现大视场光学显微成像的方法。由于双高斯物镜具有较大的视场和较好的光学成像特性,在设计出全对称双高斯结构的基础上,经过适当的结构调整变为双高斯变形结构。弯月形透镜在提供一定的放大倍率条件下,能够尽量少的引进像差,与调整后的双高斯变形结构的像差相补偿。二者结合后,在获得比较大的像方视场的同时,能够实现较好的成像质量,且整个像面上的分辨率趋于一致。最终设计出物方视场9mm,像方视场43.3mm,物面分辨率1.66μm的成像光学系统,此光学系统全视场在300lp mm处的调制传递函数大于0.3。     

环带式全景光学系统的小型化设计

为了获得大视场的管道内壁全景成像,基于平面圆柱投影法,设计了一种可用于周视的环带式全景镜头。系统由三胶合PAL镜头和中继镜组构成,通过设置PAL镜头中心光阑的方式进行设计;大视场光线通过PAL镜头的反射和折射后,出射光成为近轴光线,中继镜组再将PAL镜头所成的虚像成像到探测器上。设计结果为:系统焦距为-1.75mm,F数为2.16,视场为(±40°~±95°)×360°,系统工作波段为486nm~656nm,总长为16.2mm。满足设计要求,系统长度小于20mm,实现小型化系统设计。系统各视场传递函数值在空间频率为227lp/mm时均大于0.4,成像质量良好,满足使用要求。     

用于OLED数字化白光零位仪的双远心投影物镜

为了实现瞄准镜的瞄准基线变化量在大范围下的高分辨检测,设计一种双远心光路的投影物镜。投影物镜将大靶面、高像素OLED成像在准直物镜的焦面上,经准直物镜后形成无穷远目标,该目标进入被测瞄准镜后成像在瞄准镜的分划板上,通过调节OLED电子分划来实现被测瞄准镜瞄准基线的测量。双远心光路采用准对称的结构以及对称变换设计方法,用Zemax软件对光学系统进行仿真和优化,达到了大视场(物方线视场2y=120mm)、长工作距离(物距达到500mm)、低畸变(全视场畸变低于0.1%)、高分辨率(全视场100lp/mm处MTF大于0.3,且点列图弥散斑直径小于8μm)、大景深(景深大于30mm)、和双远心(物方和像方远心度均小于0.1)的设计要求。系统成像质量良好,设计参数和指标满足光路衔接原则。     

机器视觉大视场宽景深光学系统设计

为满足机器视觉中大视场非接触精密检测的需求,实现复杂零件表面在线实时检测,设计了双远心大视场宽景深光学系统,该系统工作距离为200mm、最大视场可达180mm、景深80mm、视放大倍率Γ=16x,可实现对待检产品的三维成像,消除测量误差。通过优化设计后该系统的最大畸变小于0.05%,调制传递函数在全视场150lp/mm处MTF大于0.3,远心度最大值控制在0.1°内,很好的校正了色差、球差、场曲和畸变,像质优良,达到了机器视觉光学镜头的使用需求。     

水下专用成像物镜的设计

随着水下摄影的广泛运用,对大视场大相对孔径的成像物镜的需求也显得极其迫切,而目前国内外报道的水下成像物镜还不具备此特点。因此本文分析了大视场大相对孔径水下专用水下成像物镜的设计特点,运用ZEMAX软件进行模拟优化,得到了相对孔径为1/1.6,水下全视场72°,焦距8.96mm,光谱响应范围436～656nm,采用平行水密壳窗的水下专用摄影物镜。全视场MTF在空间频率46 lp/mm时高于0.3,在半径为10.8μm的圆内,能量集中度为80%,全视场畸变小于2%。能够满足深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径的需求。     

医用电子宫腔镜光学成像系统设计

根据无麻醉宫腔病变诊断的需要,设计一个电子宫腔镜光学成像系统,可用于1/4英寸CCD宫腔镜成像。该系统视场角为80°,工作景深为15~150mm,放大倍率为26倍,组成系统所有透镜的口径均小于4.5mm。该系统畸变小于4%,能实现局部范围内病灶的低畸变高清晰图象放大,适用于无麻醉宫腔病变的诊断,为子宫恶性肿瘤的早期诊断提供可靠依据。     

大视场红外搜索系统的光机结构设计

设计了具有小型化、集成化的兼具大视场和高分辨率的红外搜索系统。首先阐述了系统的工作原理：采用扫描成像方法将9个凝视视场的图像拼接获得大视场高分辨图像;光学系统结构由偏移视场棱镜组、扫描镜和成像镜头三部分组成,光学设计的单个凝视视场范围为6.87°×5.50°,通过上述扫描方式拼接后获得6.87°×45.10°的大视场,对系统的成像质量进行了分析与评价,在20lp/mm时系统MTF接近衍射极限;重点介绍了扫描镜机构中传动装置以及图像采集时序设计,完成加工装调后系统重量52kg,扫描装置运转平稳,光机设计结果均达到设计要求。     

小畸变大视场CCD相机光学系统的设计

为提高CCD照相机的成像质量,同时使镜头结构紧凑、小型化,在大视场光学镜头的设计中,采用非球面设计.通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出工作波长为0.4～0.7pm、全视场角为51.15°,相对孔径为1:3的镜头设计实例.该系统采用"天塞型"结构,加入两个非球面后,在501p/mm空间频率处的MTF值超过O.62,全视场畸变小于0.1%,像质优良.     

曲面多探头内窥镜光学系统设计

随着微创手术在医学领域的广泛应用,对内窥镜技术提出了更高要求。目前,由于内窥镜的成像视场小,因此对宽视场内窥镜的需求越来越迫切。设计一种曲面多探头光学系统,依据曲面复眼光学原理设计单个探头镜头,并通过阵列方式实现宽视场。结合转像系统,使曲面多探头成平面像,实现测试。根据成像要求,设计的光学系统全视场为135°,在空间频率为166 lp/mm处全视场MTF值大于0.5,满足使用要求。公差分析结果表明该设计结果具有较好的鲁棒性,易于加工装调,该技术成果在内窥镜测试领域具有广阔的应用前景。     

长波制冷型热像仪光学系统设计

根据制冷型热像仪的技术要求,从机电补偿式消热差出发,设计了一套三片式、结构紧凑、质量较轻的制冷红外热像仪光学系统。热像仪工作波段为8μm～12μm,光学系统焦距50mm,F数为1.7,视场11.2°×8.2°。光学系统的成像质量接近衍射极限,在探测器的Nyquist频率处各视场的MTF值均大于0.5,各视场的弥散斑直径小于0.05mm,满足热像仪的成像要求。     

AMOLED头盔显示器光学系统设计及视空间评价

基于投影式物镜,采用新型AMOLED图像源,引入折射/衍射混合结构,通过系统优化,得到一款3片投影式头盔显示器光学系统.该系统采用0.61英寸AMOLED微显示器,视场为45°,质量为1.35 g,直径为11.32 mm,分辨率满足SVGA显示模式,实现了头盔系统的超轻小设计.通过理想透镜焦距变化模拟人眼调节,对其MTF(调制传递函数)进行了精确的视空间评价,评价结果显示:对于3 mm瞳孔,该系统中心视场的MTF在0.5 cycles/arc min处为0.41,远夫于AIM(视网膜空间像调制度)曲线的值     

致冷型二次成像离轴三反射镜光学系统设计

研究并设计了一种适合于致冷成像的离轴三反射镜光学系统.设计了二次成像的反射系统结构,将冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率,第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,有效地减小了第一反射镜的口径.通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用高次非球面校正像差,保证了系统的成像质量.设计的致冷型红外系统工作波段为3~5μm,焦距为500mm,F数为2,视场为10°×0.5°.该系统各视场的调制传递函数在奈奎斯特频率处(20lp/mm)都在0.5以上,并具有紧凑的结构.     

基于Placido盘法角膜曲率测量误差分析及系统优化

为提高角膜曲率测量精度,在对传统测量方法进行误差分析后,设计了一种可以提高角膜曲率测量精度的优化系统。该系统以球面镜成像原理为基础,将LED环形光源经Placido盘投射到人眼角膜,再由光学成像物镜将携带有人眼角膜信息的同心圆环成像在CCD上,通过图像处理计算出CCD上各圆环到角膜中心的高度,最后利用最小二乘法求出角膜曲率半径。系统的光学成像物镜采用物方远心镜头,保证了光学系统在景深范围内放大率恒定,同时采用低相干干涉测量技术,对人眼角膜顶点到测量光源之间的距离进行精确定位。用所设计的系统样机对标准模拟眼进行测试,测量精度达到±0.02mm,提高了角膜曲率半径的测量精度。     

高温炉探测装置光学系统设计

为了获取高温炉窑内的燃烧信息,设计一个探测装置的主部分光学系统。该系统分为两部分,分别是前组系统和中继系统。整个系统的设计要求为:视场角为60°,相对孔径为1/1.2,成像波段为4μm~6μm,MTF0.5@20lp/mm,畸变小于3%,系统的总长大于700mm。另外还要求前组镜头可以在300℃的环境下正常工作。经过选择初始结构、优化、热分析等过程完成了整个系统的设计工作。在前组系统与中继系统组合成一个整体,整体系统的MTF值在20线对处各个视场均大于0.6,系统的艾里斑直径为5.884μm,每个视场的点列图大部分都在艾里斑之内,且系统的畸变小于3%;整体设计考虑了工作环境温度及提取视频数据的需要,像质也达到非常良好的效果。     

制冷红外双波段变焦光学系统设计

设计了一组制冷型红外双波段变焦系统,焦距在80～240 mm内变化,视场角1.4°～4.4°,F数为2.2。系统利用二次成像方式,达到了100%冷光阑效率,并采用共光路成像方式同时实现对中长波段的像差校正。设计结果表明:系统满足了3.7～4.8μm中波波段及7.7～10.3μm长波波段同时成像的要求。各视场MTF在17 lp/mm处均接近系统衍射极限,弥散斑均方根半径基本小于一个像元尺寸30μm,成像质量良好。通过机械补偿变焦运动方程计算和Matlab编程绘制出了变焦系统的凸轮曲线,曲线不存在断点,运动过程合理。     

广角高清细径视频鼻镜光学系统设计

为了满足现代医疗内窥镜对广角、细口径及高清像质的需求,设计了一款广角高清细径视频鼻镜镜头,该镜头由前物镜组、后物镜组及转像棒镜、场镜组成。该镜头使用了三片场镜,对系统的场曲及畸变进行补偿,同时也减小了光学系统的横向尺寸。系统采用的均是球面透镜,可以降低成本。该镜头设计参数:入瞳直径0.1mm,全视场角为100°,镜头外径为2mm,物镜焦距1.145mm。优化设计结果显示:优化后的系统总长为239mm,在空间截止频率116lp/mm处,光学传递函数(MTF)大于0.4,接近衍射极限,满足分辨率要求。     

高清内窥镜适配器光学系统设计

内窥镜适配器是内窥镜目镜与CCD成像系统之间的转接系统,主要应用在现代医用微创手术中。针对高清内窥镜适配器,使用ZEMAX软件优化设计其光学系统。参数要求为:入瞳直径为4mm,全视场角为15°,焦距为53mm。该内窥镜适配器结构为8组10片式,使用1英寸CCD传感器,像元尺寸为5.5μm。系统优化后,调制传递函数(MTF)在90lp/mm达到0.15,畸变小于0.2%,系统总长为73.7mm。说明该设计结果满足系统要求。实现了系统焦距较长,总长较短的光学特性。能够使内窥镜目镜与CCD之间完成较好的转接。