光学系统设计中的光阑应用分析

基于远心镜头、显微镜头等成像镜头的光学系统在半导体装备上应用非常广泛。光学系统设计中需要规定对一定成像范围内的物点,以要求孔径角成像,这些对成像光束起到约束作用的孔径称为光阑;依据作用不同,一般分为孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂散光阑;结合光学系统设计案例,深入分析了各类光阑对光学系统的影响。     

转折式高分辨率小孔径镜头设计

为辅助小型机器人的双目视觉系统,对中距离目标进行识别与定位,设计了一种安装在机械臂等狭窄空间内的小孔径镜头。在镜头光阑与第一个镜片之间加入反射镜将光路进行90°转折后可以使镜头的主光路与开孔表面平行以便于镜头的固定与安装。这种转折式小孔镜头的焦距长12 mm,最终设计结果的光学性能分析表明,其MTF在110 lp/mm的空间频率处满足要求,是一款能够与720 p高清芯片相匹配的高分辨率小孔镜头。     

800万像素折衍混合式手机镜头设计

为满足市场对高像素手机镜头的需求,利用ZEMAX光学设计软件,设计了一款800万像素的折衍混合式手机镜头。镜头采用了正-负-正的三片式结构,光阑位于第一片透镜和第二片透镜之间,第二片透镜的前表面为二元衍射面。手机镜头的F数为2.85,全视场64,总长5.9mm,在Nyquist频率处所有视场MTF值均大于0.23,相对畸变小于1%,成像质量良好。公差计算结果表明镜头公差符合加工工艺要求。     

同心反射式手机镜头相对照度改善方法

为了提高同心透镜的轴外视场照度，通过在同心透镜内部设置一个基于全内反射的虚拟光阑，可使系统的能量分布更加均匀，进而改善同心透镜的成像性能。结合虚拟光阑的建立条件以及手机镜头要求，计算了一个基于反射式同心透镜手机镜头的初始结构，优化后的系统焦距2.7 mm，最大视场角±50°，系统F数1.8，总长2.7 mm。照度分析结果表明，利用传统孔径光阑的手机镜头相对照度随视场增大逐渐下降，最大视场仅为0.64；采用虚拟光阑的手机镜头在0°～28°视场的相对照度保持不变，全视场的相对照度在0.85以上。可见，采用虚拟光阑的手机镜头全视场照度的均匀性得到了明显改善，可有效提高系统的成像性能。     

紧凑型双视场可见光镜头设计

为使观瞄系统以简单、紧凑结构实现探测、识别目标功能,选用光学补偿法设计紧凑型双视场可见光镜头。首先,根据视场、作用距离指标完成相机选型和焦距计算,依据已选相机像元尺寸和最低照度计算F数,并分析双视场光学系统的特点;其次,对比常规的光阑位置固定方案与光阑位置切换方案,得出后者在实现光学总长、最大通光孔径、变焦行程有效压缩的同时,可以实现更大的相对孔径和更好的像质;最终,选用光阑位置切换方案设计了由11片透镜构成,光学总长为150 mm,最大通光孔径为Φ42 mm,变焦行程为35.97 mm的紧凑型双视场可见光镜头。该镜头短焦焦距为32 mm,F数为2.3,满足水平视场角不小于12°、探测距离不小于5 km的要求;长焦焦距为126 mm,F数为3,满足水平视场角不小于3°、畸变小于0.5%、识别距离不小于5 km的要求。设计结果表明,对于焦距32 mm和焦距126 mm,全视场调制传递函数（MTF ）均大于0.45,全视场点列图的均方根 （RMS）直径小于或接近4 μm,整体像质良好。公差分析结果表明,在135 cycles/mm处,全视场MTF大于0.3的概率达到90%以上。     

最佳散斑图实验测定法

设计了一个简单的光电系统，测量了不同尺寸的双环光阑的光学传递函数，从中选出了最佳光阑     

包含选模光阑的稳定光学谐振腔

本文利用菲涅尔衍射积分公式建立了小孔选模腔满足的积分方程,讨论了积分方程的对称性。并用有限元法求得了具有一个选模光阑的稳定光学谐振腔的数值解。根据数值计算的结果发现在大多数情况下稳定的小孔选模腔的衍射损耗和光阑平面处的场分布主要取决于参量S(即选模光阑半径a与光阑所在平面处的光斑半径ω之比)。本文还讨论了Rigrod计算方法,指出这种方法是近似的,并找出它严格成立的条件。另外Rigrod计算方法仅适用于一部分包含选模光阑的稳定光学谐振腔,我们根据积分方程的对称性将它的适用范围推广到一股的包含一个选模光阑的稳定光学谐振腔。     

红外镜头光学薄膜的发展和应用

红外光学系统主要应用于1～3μm、3.5～5μm和8～14 μm(或更远波段),由红外光学镜头和红外探测器组成.为使探测器能够通过光学镜头实现对辐射源的探测,光学镜头必须通过防护性物方窗口、透镜、反射镜、光阑、滤光片、扫描系统等完成光学信号的时间和空间滤波.从而以给定比例和质量实现物方空间目标和背景的分离.为保证目标最大辐射通量传送到探测器,必须保证通过光学镜头的辐射能量损失达到最小.为在特定波段实现以上目标,光学镜头中各种折射和反射元件需保证对工作波段的辐射能量具有尽可能低的吸收率、散射率,同时具有尽可能高的透过率和反射率,并且根据需要应能够实现一定的角度不敏感性.在光学设计过程中材料选择和元件光学参数设计合理的同时,光学薄膜的各种性能将是关键参数之一.红外光学薄膜可选沉积材料较少,而光学参数并未比可见光学薄膜有所降低,薄膜种类并未减少,包括减反射膜、高反射膜、带通滤光片、带阻滤光片、特种功能膜、分光膜等.由于工作波长是可见波长的2～20倍左右,因此膜层厚度增加很多,没有工艺技术上的特殊保证,将无法保证光学镜头的使用寿命.针对不断提高的光学指标要求,红外光学薄膜的沉积技术逐渐发展成熟,并且在各种红外光学薄膜产品上得以应用.     

长距离条码扫描解读器

采用光学方法为特征的计量设备,在习用的CCD条码解读器的光源前端加装聚光柱,致使发射光呈现线状以达到聚光效果;镜头上具有一矩形通孔以形成一光阑,通孔的长边与感应器的长边相垂直,通孔系统制成由后向前渐缩的状态,能配合反射光束行进路线;在光感应器前设有一再集光半凸透镜,     

光阑约束和离轴失调Lohmann系统的分数傅里叶变换

为了研究受硬边光阑约束及失调Lohmann光学系统对分数傅里叶变换的影响,采用了平顶多高斯光束模型模拟硬边光阑,推导了平面光波在受硬边光阑约束和系统透镜离轴时的Lohmann 型分数傅里叶变换光学系统中传播的解析表达式;计算机模拟了受半径为7.696cm的硬边光阑约束和透镜离轴失调量时的输出.结果表明,在有硬边光阑约束和离轴失调时Lohmann两种结构并不等效.     

基于回波闪烁效应识别光学目标的方法研究

为获取光学目标更多的特征信息、达到目标识别的目的,文中利用不同目标回波特征受到湍流大气调制作用的差异性,将目标回波的闪烁效应作为目标识别的手段之一。采用功率谱反演法生成随机相位屏模拟双程湍流大气扰动,利用硬边光阑展开为有限级数和的形式以及Collins衍射积分公式推导角反射器、镜头目标和朗伯漫反射体的反射光的复振幅分布,通过原路返回处的光强分布得到反射光的闪烁指数。分析了湍流强度和目标尺寸对上述三种目标回波的闪烁指数的影响,并进行了实验验证。研究结果表明:光学目标与漫反射目标回波的闪烁指数差别明显,整体相差一个数量级,随着口径的增大,光学目标回波闪烁指数整体上呈现减小的趋势;角反射器和镜头目标回波的闪烁指数在数值上差别不明显,但可以通过多组测试结果绘制回波闪烁指数随时间的变化曲线的方法将二者进行大致的区分。该方法可以快速地从漫反射背景中识别出光学目标,同时也为光学目标的分类识别提供了参考价值。     

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。     

激光云粒子探测技术

云滴粒子探测器是人工影响天气的重要测量仪器之一,为建立可用于业务的云滴粒子探测器,对云滴粒子探测器的光学系统进行设计.该探测器使用单模光纤耦合输出的685 nm的激光作为光源,通过方形光阑和4f光学系统产生均匀照明,接收系统中利用45 °反射镜中心开孔抑制直接入射光,并用小孔光阑控制整个光学系统的景深.实验结果表明,激...     

受光阑限制离轴高斯光束的解析传输

激光束的传输特性在激光技术应用中有着重要的意义。光束的解析传输问题是激光光学中的难点之一。从Collins公式出发，详细研究了离轴高斯光束(OAGB)通过有光阑近轴ABCD光学系统的传输特性，推导出了受硬边光阑、高斯光阑或余弦光阑限制的离轴高斯光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式，并讨论了硬边光阑、高斯光阑或余弦光阑之间的关系。数值计算证明了所得公式的正确性和优点。分析了求解受多光阑限制的激光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式的困难性，结果表明，其困难性在于受单光阑限制激光束的解析传输公式中含有误差函数。     

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。     

拉盖尔-高斯光束通过有硬边光阑光学系统的传输

采用将硬边光阑展为有限个复高斯函数之和的方法,得到了拉盖尔-高斯光束通过有硬边光阑近轴ABCD光学系统中传输的近似解析公式,作了数值计算以说明传输公式的应用,并对使用该式的误差作了讨论。     

《光学系统设计》(内部资料)

《光学系统设计》主要内容包括基础光学与光学系统技术要求;光阑、光瞳和基本原理;衍射、像差和像质;     

空心高斯光束通过光阑透镜系统的传输特性

为了研究空心光束通过硬边光阑透镜傍轴ABCD光学系统后的传输特性,利用柯林斯衍射积分公式,推导出了空心高斯光束通过受圆孔硬边光阑限制的傍轴ABCD光学系统的传输公式,所得公式可用来描述空心高斯光束通过任意傍轴ABCD光学系统的传输.研究了光阑、透镜以及光阑透镜系统对空心高斯光束传输特性的影响,并用数值例做了详细说明.结果表明,光阑和透镜均会使光束的光场分布向源平面前移,光阑会破坏空心高斯光束的空心性,而单纯的透镜只改变光场分布,不会破坏光束的空心性.这一结果对于空心光束的产生和应用有理论指导意义.     

基于贝塞尔光束的复合光场调控超衍射聚焦

新型光场调控技术已经在焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光通信等领域取得了众多重要成果。提出了一种基于贝塞尔光束的复合光场调控方案,利用贝塞尔光束固有角谱和环形光阑的锐边衍射实现了远距离的超衍射极限聚焦。理论和实验结果表明,轴棱锥-透镜系统生成的局域空心光束经环形光阑产生锐边衍射,其高频成份得到增强,从而具有超衍射聚焦特性。该局域聚焦光场与周围旁瓣光场距离很远,有望应用于远场超分辨显微成像和光镊等领域。     

用于大相对孔径红外镜头的衍射光学元件

将衍射光学元件应用于非制冷热像仪的大相对孔径红外镜头与传统设计相比,衍射光 学元件的引入,增强了此类镜头的色差校正能力,提高了镜头的成像质量,提高了镜头的透过率,减少了光学零件的数量,减轻了系统重量,为提高非制冷热像仪的性能奠定了坚实基础。本文在色差、成像质量、系统透过率与MRTD 方面比较了不同结构镜头的性能。