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。     

机载小型化中波红外连续变焦光学系统设计

为适应机载光电系统对红外热像仪光学系统小型化、轻量化的要求,采用前端无焦扩展倍镜与后端连续变焦光学系统组合的方式,实现了30~660 mm的22倍连续变焦光学系统。该系统的光学总长为244 mm,总长/最大焦距比为0.37,系统具有光学总长小、变倍比大的特点,适用于远距离目标探测的大型机载光电吊舱系统中。将前端无焦扩展倍镜去掉后,后端连续变焦光学系统可以实现15~330 mm的22倍连续变焦光学系统,该系统的光学总长为138 mm,总长/最大焦距比为0.42,可作为独立的连续变焦系统应用于近距离目标探测的中小型机载光电吊舱系统中。设计结果显示,该系统在两种状态下均成像良好,在探测器对应的特征频率33 1p/mm处,中心视场的MTF值均在0.3附近,接近衍射极限,0.7视场的MTF值均在0.2附近,边缘视场的MTF均在0.15附近,能够满足应用需求。     

基于ZEMAX的2100万像素手机镜头设计

通过ZEMAX光学设计软件优化设计,得到了一款超薄尺寸2100万像素手机镜头.此镜头由1个红外滤光片和4片光学塑料非球面透镜组成,镜头焦距为3.5 mm,光圈值F为2.4,视场角为68°,镜头总长为4.8 mm,同时采用Sony公司的IMX230型号2100万像素图像传感器.优化后镜头极限分辨率为446 lp/mm,中心视场调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率223 lp/mm处大于0.53,在奈奎斯特频446 lp/mm处大于0.22,0.7视场MTF值在奈奎斯特频率223 lp/mm处大于0.5,在奈奎斯特频446 lp/mm处大于0.17,镜头各视场的弥散斑半径都小于1.5μm,最大场曲小于0.04,最大畸变小于2%,大部分视场相对照度大于60%,成像质量良好.     

高分辨率大孔径手机镜头设计

为了满足目前人们对手机镜头的大孔径和高分辨 率的要求,本文在几何光学理论基础 上,应用光学设计软件Zemax设计出一款1300万 像素手机镜头。在设计中采用扩展奇次非球面来校正系统像差。该镜头由4块 扩展奇次非球面镜片和1块滤光镜片组成,结构简单紧凑;它的F数为2.17,全视场角为 73.2°,有效焦距3.93 mm,镜头总长6.00 mm;最终实现中心视场在中间频 率处(即223 lp/mm)的子午和弧矢方向MTF值分别大于 0.33,在高频处(即446 lp/m m)分别大于0.13;另外,0.8视场在中间频率的子午和弧矢MTF值分别大于0.33,研究表明优化设计后的手机镜头 成像效果完全可以满足使用要求。     

三组联动长波连续变焦红外光学系统

介绍了一种采用机械补偿三组元联动结构形式设计的紧凑型长波红外连续变焦光学系统。针对阵列规模1024×768,像元尺寸12μm的非制冷长波红外探测器,设计了焦距25～150 mm,F1.4的长波红外连续变焦光学镜头,其光学总长155 mm,结构长度132.7 mm,在-40～+60℃温度范围内采用系统内调焦镜组进行补偿,适用于小型化的吊舱、手持型红外设备以及类似场景下的应用。     

折反式中波红外双视场变焦系统无热化设计

利用折/衍混合透镜实现了宽温度范围双视场变焦系统的光学被动无热设计。系统工作波段为3～5 m,使用320240红外制冷探测器,像元大小为30 m30 m,焦距为400 mm和800 mm两档,F数分别为2和4。两系统通过机械结构改变冷光栏大小分别实现100%冷光栏效率。在两档共用组份采用一片折衍混合透镜,对双视场系统两焦距位置消热差,实现了一个衍射面对两档系统的无热化设计,结构简单。设计结果表明:在-40 ～60 ℃温度范围内,空间频率18 lp/mm处系统MTF值接近衍射极限,成像质量良好,实现了双视场变焦系统的无热化设计。     

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。     

用于交通监控系统的光学成像镜头的设计

设计一种用于交通监控系统的宽波段大孔径光学成像镜头,利用红外光的大气窗口,可在黑暗中或能见度不佳的环境中得到清晰的图像。为了对近红外光与可见光成像,采用CCD作为图像传感器,选用的CCD像元尺寸为4.65μm,其分辨率极限为110lp/mm。镜头的F数为1.6,视场角为16.8°,中心波长为880nm的近红外光,工作波段为400～1000nm。通过计算光学镜头的参数,选用松纳型作为镜头初始结构,通过软件优化,在110lp/mm空间频率处所有视场的调制传递函数(MTF)值超过0.3,最大畸变小于0.1%。     

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。     

一种内调焦对心器用电视测微镜头的设计

利用CODE V光学软件设计了一种用于内调焦对心器的电视测微镜头。该镜头由四片透镜组成,采用正负正焦距对称结构。其焦距为17.20 mm,数值孔径为0.063,视场为16.82°。该镜头工作在486～656 nm波段,总长为68 mm。系统的全视场畸变为-1.13%,调制传递函数MTF值在空间频率为60 lp/mm时大于0.64。设计结果表明,该系统的成像质量良好,结构紧凑,满足使用要求。     

变焦鱼眼镜头系统设计

变焦鱼眼镜头系统具有更大的视场角、更大的相对孔径、更大的反远比的特点。文中的设计过程中,首先,利用平面对称光学系统理论设计了固定焦距的鱼眼镜头初始结构;然后,把此鱼眼镜头的组元划分为前变焦组和后变焦组两个变焦组,并利用了高斯光学理论对整个变焦镜头进行了变焦优化;最后,得到一成像质量良好的变焦鱼眼镜头。该镜头最短焦距8 mm时的视场角为180°,最长焦距16 mm时的视场角为90°,其相对孔径为1/3.5。设计结果表明:该变焦鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在不同的焦距长度、空间频率为50 lp/mm时均不低于0.45,该变焦鱼眼镜头物镜比其他变焦鱼眼镜头具有更好的成像质量。     

双孔径红外变焦光学系统设计

为了解决红外变焦系统短焦部分冷反射严重的问题,提出了一种双孔径设计方法,设计了一种双孔径红外变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7 ～4.8 m,焦距为30/150/300 mm,10变倍比,具有100%冷光阑效率。对双孔径系统的短焦部分和单孔径系统短焦部分的冷反射强度进行了对比分析,双孔径系统的冷反射得到有效控制。双孔径红外变焦光学系统具有像质好、变倍比大、短焦冷反射小、结构紧凑的特点,可使大变倍比的红外变焦光学系统在红外成像系统中得到广泛应用。     

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。     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计

随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm（变倍比为2:1）,工作波段为8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料（硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗）组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。     

LED数字投影机短焦投影物镜设计

为实现LED 数字投影机短距离内投影出更大的画面,文中针对此类投影机的结构特点,通过理论计算和ZEMAX 光学设计软件的优化,开发设计一款适用于LED 光源0.7 in（1 in=2.54 cm）单芯片数字投影机的短焦投影物镜。给出工作波长为462~625 nm、全视场角为84、相对孔径为1:2.4、焦距为10 mm、后工作距离大于20 mm 的镜头设计实例。镜头有较好的成像质量, 在分辨率极限40 lp/mm 处, 0.7 视场以内的MTF 值均大于0. 5,全视场畸变量的绝对值小于1.5%,像质优良。设计结果显示,文中提出的设计方法有利于降低投影系统成本,实现产业化生产。     

依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构

为了快速得到双焦光学系统初始结构,依据近轴光学理论设计一款双焦、双视场光学系统。通过高斯光学理论及物像交换原则求解光学系统近轴光学元件的初始位置,分组将标准透镜插入到求解位置上,通过逐步增大近轴元件的焦距优化镜组及镜片间隔,使插入的透镜组焦距趋向该近轴元件焦距的理论计算值。以此类推完成每个镜组的优化设计。通过该方法设计了焦距为40/120 mm、视场为8.6°/2.9°的光学系统,所有镜片均为球面。在奈奎斯特频率100 lp/mm处,120 mm焦距时调制传递函数为0.58,接近衍射极限;40 mm焦距时调制传递函数为0.52。设计结果表明该方法适用于双视场光学系统,可快速得到光学系统初始结构,简化了设计难度。     

坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计

针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的需求,设计了一种红外变焦光学系统。该系统采用320×240元非致冷焦平面阵列探测器,在8～12μm波段,系统变焦范围为60～240mm,F数为2。通过对系统的优化设计,当最大截止频率为17lp/mm的时候,各视场的MTF调制传递函数均接近衍射极限,成像质量良好,并且系统具有大相对孔径以及结构紧凑等优点,满足了坦克目标跟踪识别的实际应用需求。     

30×中波红外连续变焦光学系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了30×中波红外大倍率连续变焦光学系统。详细介绍了连续变焦光学系统的选型及其初始结构的计算方法。系统采用硅和锗两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,实现了30～900mm的连续变焦,F数为4,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率为16 lp/mm处,系统MTF值大于0.5。系统具有变倍比大,结构紧凑,光学总长短和全焦距范围内像质好,分辨率高等优点,满足设计要求。