宽光谱长工作距弱荧光信号检测显微物镜设计

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限,本文设计了光谱波段为450~800nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用++-结构,因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难,前组设置成敏感组分,承载物镜装调的调校功能,承担90%以上光焦度;中间组为弱光焦度组分,用于校正大数值孔径下的二级光谱,显著降低了二级光谱校正元件的加工难度;后组为负光焦度组分,用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为:总长58mm、工作距0.21mm、视场0.625mm、倍率40×、数值孔径0.95,结果表明:其像质接近衍射极限,畸变小于0.2%,满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。     

特短火石玻璃的研究

一、引言随着光学仪器使用范围的扩大和精度的提高,要求不断改善光学系统的视场和成像质量.特别是具有长焦距的光学系统如制版物镜,不但要求两种颜色消色差,而且还希望其余颜色的偏离量——二级光谱尽量减小.减小二级光谱在光学设计上称为复消色差.     

10×连续变倍照摄像物镜的光学设计

连续变倍照摄像物镜在各种照相和摄像等领域有着广泛且必不可少的实际应用。通过大量反复研究与计算,在参考他人资料的基础上,设计出了可用于像方线视场16mm的照摄像机物镜,变焦范围为15~150mm连续变倍,物镜的像方F数为2.5,MTF曲线在50lp/mm时值均大于0.12,畸变在8%以内,是一成像质量满足实际要求的连续变倍物镜。     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

折/衍混合Petzval光电摄像物镜设计

以传统的5片可见光波段Petzval物镜为基础, 设计了一个折/衍混合的可见光波段Petzval物镜。该物镜的主要光学参数为f'=101.5 mm,F/#＝1.60,HFOV＝6.79°,仅由两种材料、三片元件组成,包含一个二元面和一个非球面,重量只是传统物镜的30%,而且像差特性也有很大改善,系统中心视场的成像质量所对应的空间频率大于20 lp/mm,满足现代摄影和光电摄像的要求。     

摄录物镜光学设计

为满足某机器视觉检测设备系统的需求,设计了一款三组元六片式高分辨率摄录物镜,分析了摄录物镜的成像特点和光学特性参数,利用OSLO光学软件优化设计出符合指标的高分辨率的摄录物镜,可匹配1/2″CCD相机,放大率为0.2×,像方数值孔径为0.17,物方线视场为20 mm,物方工作距为240 mm,像方后工作距为29.46 mm,在160lp/mm的Nyquist频率处,MTF值为0.46,边缘视场畸变为0.02%,像散、场曲小,具有平像场的特点。该镜头结构简单,成本较低,可对相关摄录物镜的设计起到很好的参考作用。     

衍/折射光学系统校正二级光谱的研究

将衍射和折射光学元件结合,对星载用宽光谱(420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)望远物镜的二级光谱进行了校正,计算了衍射透镜的结构尺寸和望远镜系统的像差.计算机模拟结果表明:采用衍/折射混合校正后的望远物镜的二级光谱不大于0.08mm,轴上点的位置色差也很小,实现了复消色差,光学传递函数也基本接近衍射极限.所设计的整个系统可以满足实用要求.     

基于深空探测器的在轨天体合影成像及应用

提出了基于深空探测器对太空中的目标天体合影成像的新策略。首先,基于相机的性能参数建立视场模型,然后对天体和探测器轨道动力学模型、探测器姿态数据以及光照条件进行综合分析,最终确定了拍摄用相机以及成像时刻与成像姿态等成像策略。以探月三期月地高速再入返回飞行任务的设计为例,研究计算了对地月合影的拍摄相机、成像时刻与成像姿态,并利用在轨探测效果仿真系统进行了仿真验证。结果表明:该成像策略能够根据预定的天体合影的构图要求便捷地计算出拍摄条件,结果准确、角度偏差在1°范围内。该成像策略还成功应用于探月三期月地高速再入返回飞行器的实际任务中,在距离月球1.40×104 km和距离地球3.91×105 km处,获得了我国航天史上首张地月合影图像,为后续深空探测器在轨天体合影提供了参考依据。     

用于沿海水色探测的机载紫外-可见-近红外高光谱成像仪

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统,从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数,选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能;但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑,因此对Dyson成像光谱系统进行了研究,调整了狭缝、像面和光学元件的位置,使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔,并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入,使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320～1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果,全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5,研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm,满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。     

高精度测温拉曼激光雷达光谱仪的光学设计

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差,提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正,针对光谱仪10mm/nm的线分辨率要求,采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹,拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax软件进行优化分析,结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5mm,间隔0.1nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1mm,满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制,达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的,解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求,对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。     

适用显微镜质量测试的高分辨率测量镜头设计

利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于光学成像尺寸为38mm的互补金属氧化物半导体(CMOS)型工业相机的高分辨率测量镜头,该工业相机用于自动化定量分析检测显微镜像差。通过数码图像处理的方式去评判显微镜物镜性能的好坏。在满足性能要求基础上,对普通的测量镜头结构加以优化,使得测量镜头拥有非常高的分辨率。该镜头焦距为36mm,后工作距约为32mm,视场像面高度为36mm,在90lp/mm处,中心视场调制传递函数(MTF)值大于0.45,边缘视场MTF值大于0.25。     

中波红外两档变焦光学系统

报道了一种用于320×240制冷型探测器的中波红外两档变焦光学系统。该系统采用二次成像、前组透镜轴向移动变焦的光学结构形式。根据探测器类型和实际的使用要求给出了系统的光学参数,并利用光学设计软件对系统的像质进行了的分析。结果表明,该系统可以实现焦距为180/60两档变焦,工作波段为3～5μm,F数为1.96,满足100％冷光阑效率,截止频率16lp/mm处的MTF值大于0.6,结构简单,使用方便,像质好。     

集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工

针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法,并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理,建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系,并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板,通过纳米压印和图形转移复制的方法,在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜,并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明,在5.7英寸全高清手机屏幕上,直接覆盖孔径为0.526mm、焦距为2mm、填充率为100%的透镜阵列,可以实现立体图像出屏距离达4cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求,裸眼观看立体图像清晰、逼真,系统集成度高,使用方便。     

长焦距大口径连续变焦距光学系统

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量,设计了口径为650 mm,焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法,实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置,消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度,使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡,使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡,像面保持严格的一致性,从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上（Nyquist频率：35 lp/mm）,满足使用要求。     

35mm电影大孔径f20mm摄影物镜光学系统设计

本文所论述的f=20mm、D/f=1/1.19、2ω=68.5°,35mm电影摄影物镜,是目前我国大孔径、大视场定焦距系列中焦距最短的一个.下面就二个方面问题做介绍,1.设计过程简介.2.设计结果.     

A high-resolution add-on in-lens attachment for scanning electron microscopes

A compact add-on objective lens for the scanning electron microscope (SEM) has been designed and tested. The lens is < 35 mm high and can be fitted on to the specimen stage as an easy-to-use attachment. Initial results show that it typically improves the spatial resolution of the SEM by a factor of three. The add-on unit is based upon a permanent magnet immersion lens design. Apart from the extra attachment to the specimen stage, the SEM with the add-on lens functions in the normal way. The in-lens unit can comfortably accommodate specimen heights up to 10 mm. The new add-on lens unit opens up the possibility of operating existing SEMs in the high-resolution in-lens mode. By using a deflector at the top of the add-on lens unit, it can also operate as a quantitative multichannel voltage contrast spectrometer, capable of recording the energy spectrum of the emitted secondary electrons. Initial experiments confirm that a significant amount of voltage contrast can be obtained.     

A convergent neutron lens based on glass capillaries

The properties of a convergent neutron lens in the form of an assembly of bent glass capillaries have been experimentally investigated. Each capillary is a conical tube with a length of 22.5 cm, an entrance diameter of 0.25 mm, and an exit diameter of 0.17 mm. The spectrum of thermal neutrons incident on the lens entry is formed on the beam of the IR-8 reactor by means of a diamond microcrystalline filter and investigated with a time-of-flight spectrometer. The spatial distribution of the neutron beam at the exit from the lens is measured using the position-sensitive image plate detector. The measured focal length of the lens is 75–80 mm. The possibility of focusing neutrons with an increase in the local beam density at the lens axis by a factor of 4.9 is demonstrated.     

VCM磁钢自动检测系统的光学系统设计

为VCM磁钢自动检测系统设计了一套高精度的光学系统。该光学系统分为成像系统和照明系统两部分,利用远心光路方式对成像系统进行了设计。通过光学计算,给出了焦距为16mm,相对孔径为1：2．5,视场角为120°的成像系统设计参数。所试制的样机经过实验表明镜头成像清晰,性能可靠,满足测量精度要求。