介电润湿液体透镜仿生复眼的设计与仿真

为解决仿生复眼系统不能自适应变焦的问题,提出了一种基于介电润湿液体透镜曲面阵列的可变焦仿生复眼系统。分析系统结构对成像性能的影响,计算系统的自适应变焦能力及相应像平面可移动范围。结果表明:系统成像的视场角随着基底曲率的增大而增大。相比于非均匀透镜阵列,均匀透镜阵列可明显降低系统的离焦像差。适当减小子透镜单元尺寸,也可以达到降低边缘透镜离焦像差的目的。当物距或者接收器位置发生改变时,通过调整子透镜单元焦距降低系统的离焦像差。系统接收器可移动范围为1.9 mm~15 mm。     

大景深光学成像系统关键技术的研究

在普通光学成像系统中引入相位模板和数字图像复原技术,可以增大系统的景深。本文设计了一种新的由多个等面积环形区域组成的纯相位模板,相邻的环形分区交替补偿高斯物面两侧离焦。同时,基于频域滤波理论和MTF离焦不变性质,给出了相应的不依赖于离焦程度的图像复原滤波器的表达式。系统的MTF曲线、MTF密度图和Spoke图结果表明系统具有大景深特性。通过适当调整模板参量,系统景深可以达到普通光学系统的4倍以上。系统可以应用到生物和医学的显微成像、机器视觉等多个领域。     

电润湿离子液体变焦透镜

利用电润湿原理设计并实现了基于离子液体的变焦液体透镜。该透镜的聚焦电压与所使用的离子液体折光率直接相关,折光率越高,达到相同焦距所需的电压也越大。在相同情况下,与传统的盐水溶液变焦透镜相比,离子液体变焦透镜实现聚焦所需的电压更低。离子液体变焦透镜可以适应外界温度的剧烈变化,在高温条件下 (>80 oC)仍可正常运转,且其性能甚至更优。该透镜的变焦范围可从 5 cm至无穷远,而其能耗只有毫瓦量级。离子液体在红外区透光性良好,使得离子液体变焦透镜在红外成像上有广阔的应用前景。     

适用于无人机小型吊舱的变焦控制系统设计

随着无人机光电吊舱向小型化发展,对其变焦系统提出小型化、快速化的要求。本文设计了一种小型分段变焦系统。利用步进电机和透过型光遮断传感器构成调焦组件,设计了系统硬件电路和调焦算法,实现了光学镜头的快速分段变焦和焦距值的实时输出。系统采用离线方式标定聚焦点位置和焦距值,标定过程中使用Tenengrad函数、Brenner函数、平方梯度函数判断出聚焦点位置,同时利用自准直法测焦仪测量镜头的焦距值。最终实现变焦系统重量小于100g,焦距值误差小于1%,短焦与长焦的切换时间小于1.7s。     

用于毫米波焦面阵成像系统的扩展半球介质透镜

毫米波成像是近年来毫米波领域的一个研究热点,而焦面阵成像因其具有实时成像的优点更加受到重视。中分析可用为面阵成像的扩展半球介质透镜。这种焦面阵成像结构将集成天线阵贴附在透镜背面接收透镜聚焦的功率,消除了集成天线工作在毫米波频段时存在的表面波对天线性的影响,具有尺寸紧凑、损耗小的特点。采用Stratton-Chu公式和射线追迹分析了电磁波入射到扩展半球透镜上时在其背面的场分布,即透镜的焦区场分布,以获得透镜用于焦面阵成像时的性能。为验证分析方法的正确性,对平面波垂直入射和会聚高斯束入射两种情形进行了实验验证,实验结果与理论分析吻合较好。该透镜天线还可用来消除常规集成毫米波系统中抛物面天线与集成前端之间的过渡,以降低损耗,改善系统性能,也可用于与准光系统的连接或耦合。该结果将对上述应用提供理论指导。     

用于衍射透镜成像光谱仪的正则化图像复原算法

针对离焦波段光学像对准焦波段光学像的干扰,本文提出将正则化方法应用于衍射透镜成像光谱仪的图像复原中。正则化方法通过引入稳定泛函,附加经验预知的或假设的条件,将逆滤波函数正则化,从而减少系统噪声给图像复原过程带来的扰动,将图像复原过程转化为适定方程的求解过程。调节正则化参数的取值,以取得最佳复原效果。用均方误差和绝对误差分布来评价复原效果。计算机模拟实验表明,正则化方法能够有效地复原衍射透镜成像光谱仪图像,抑制噪声的干扰,降低光谱图像的均方误差。     

高分辨率长波红外连续变焦光学系统设计

针对高分辨率640×512元非制冷探测器,设计了一款6×长波红外连续变焦光学系统。该系统由6片透镜构成,工作波长为8~12μm,F数为1~1.1。根据变焦光学系统设计理论,确定了系统的机械补偿式变焦结构并构建了初始结构;对该系统的光学结构参数及凸轮变焦曲线进行了设计和优化。像质评价结果表明该系统在20~120mm焦距范围上实现了连续平滑变焦;在30 lp/mm空间频率处,全焦距范围调制传递函数值大于0.45,接近衍射极限;全焦距范围各视场弥散斑均方根半径小于6.3μm,远小于像元尺寸17μm。实验证明该系统具有高分辨率、高变倍比、大光圈、大视场范围的特点,且像面稳定,变焦平滑,结构紧凑合理,成本相对较低。     

微透镜列阵成像光刻调焦方法

本文分析了离焦量对微透镜列阵成像光刻图形质量的影响,给出了系统离焦量的容差.同时提出了一种结构简单、可应用于微透镜列阵成像光刻系统调焦的新方法.并将基于该调焦方法的实验装置应用于微透镜列阵成像光刻系统,进行了光刻实验.实验表明,利用该方法时微透镜列阵成像光刻系统调焦,可得到接近微透镜列阵极限像质的光刻图形.     

光学四象限分光器参数的优化设计

以几何光学的矩阵变换为基础，通过光线追迹的方法，对四象限分光的多透镜成像复杂光学系统进行仿真建模。由所得到的基本参数的关系曲线，优化确定系统的放大镜放大系数为20，分光镜离轴距离为3mm，系统出瞳直径1mm。对复杂光学系统参数的优化提供了新的思路和方法。     

多波长可视化测温系统标定的实验研究

讨论了一种基于光学的火焰／温度场测量系统的标定方法。借助黑体炉等标定源,利用温控系统提供温度参数,经CCD系统成像得到图像的灰度值,通过函数拟合获得辐射图像灰度与温度之间的关系。通过调整不同的快门速度,扩大了CCD的动态范围,从而扩大测温范围。应用图像处理技术对辐射图像去噪,对标定数据进行了整理和拟合,并对结果进行了分析。     

一种像旋扫描变焦红外光学系统

基于光学消像旋原理,研究了通过像旋扫描以扩大光学系统视场的途径,并建立了一个设计模型。该模型是一个三次成像的变焦结构,采用了别汉棱镜作为一维扫描器件,为保证不同温度时的成像质量,使用了主动消热差技术。系统采用了480×6的线阵长波红外(7.7~10.3μm)探测器,F数为2.6,线阵长度为12.29 mm,通过像旋扫描获得了半径为探测器线阵长度的圆形总视场,并采用倾斜和偏心探测器的方法实现了冷光阑匹配,其视场为4.4o/17.6o,对应焦距为320/80 mm。系统除别汉棱镜外采用了九片透镜,其中3个非球面。系统在全视场范围内具有接近衍射限的像质。     

高精度动态星模拟器的光学系统设计

为了完成星敏感器的地面标定工作,满足动态星模拟器大视场、高精度的技术要求,根据动态星模拟器的工作原理,利用ZEMAX软件完成光学系统设计,实现了高精度动态星模拟器准确模拟星点。实验结果表明:系统焦距为110 mm,视场为16°,光谱范围为0.5～0.8 μm,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.05%,在60线对/mm时调制传递函数（MTF）优于0.7。提出了装配后确定系统实际焦面的方法,最后对光学系统实际出射精度进行分析和实验验证,验证结果表明:设计的高精度动态星模拟器光学系统的成像精度达到9″,实测的星间角距误差均优于13″,整个系统可以满足高精度动态星模拟器的使用要求。     

空间光学合成孔径成像系统原理与关键技术分析

根据傅里叶成像理论,分析了光学合成孔径系统成像原理,指出光瞳函数的离散化,提高了光学合成孔径成像系统的分辨本领,但降低了系统传函中频性能,并使系统在信息获取时具有方向选择性。运用遗传算法对光瞳构形进行优化,光瞳优化后,四孔径系统的优化参数从310.8降到13.7,减小了23倍。在合成孔径成像系统单个子孔径存在像差的情况下,Piston误差对系统的影响最大,其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散,对于四孔径系统,Piston误差对系统的影响几乎是离焦误差的2倍,像散的4倍。系统曝光时间与填充比的平方或立方成反比。     

用二次傅里叶变换实现CCD的精密定焦

根据傅里叶变换系统中物面平移其频谱面上光强分布不变的特点,提出一种利用二次傅里叶变换实现CCD精密定焦的方法。将CCD和其透镜作为逆变换系统,输入面为两个狭缝,与一个附加透镜组成一个正变换系统。通过镜组移动改变正、负傅里叶变换系统的距离,用软件比较CCD上两个波峰的间隔是否变化来对CCD进行定焦。根据傅里叶变换原理和几何光学成像原理对CCD正焦和离焦时的波峰特点进行了理论分析,证明了离焦时波峰间隔变化量与镜组移动量、离焦量、狭缝间隔成正比,与两透镜的焦距成反比,由此关系即可实现CCD定焦。实验表明,该方法的相对定焦误差为0.2%。     

高效非成像聚光光学系统设计与性能分析

针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题,本文设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统。在光学设计软件Zemax的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计,通过最大程度地减小球差,像面光斑的几何半径从42 mm降到了1.7 mm。基于此,在Zemax的非序列模式下,完成了非球面透镜和棒锥镜的建模和优化,通过蒙特卡罗光线追迹分析实现了光学效率为87%、接收角为0.9°的非成像聚光光学系统。最后,基于非球面透镜阵列和棒锥镜样品,实现了高倍聚光型光伏模组的封装与测试。测试结果表明,该模组的光电转换效率达30.03%,与菲涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。     

光学系统离焦对自动调焦评价函数的影响

调焦过程可分为调节物距、调节像距和移动镜头三种情况。基于几何光学关系,推导了三种情况下的弥散斑半径和横向放大率与离焦量的关系。利用数字图像处理方法,模拟了这两个因素对自动调焦评价函数的作用,表明弥散斑的扩散在焦前焦后呈现对称影响,而横向放大率的影响则沿光轴单调下降,二者叠加,造成峰值两侧的不对称。当光学系统F数增大时,调焦评价函数变得平缓,从而使横向放大率的影响变得显著,最佳像面因此向焦前偏移。利用CCD成像的实验证明了上述观点。     

中红外AOTF前置光谱相机折/衍射混合变焦光学系统

设计了基于AOTF器件的中波红外光谱相机前置变焦系统,针对AOTF器件和探测器的特性,系统采用折/衍射混合设计,用6片透镜即实现了25~300 mm连续12×变焦,并用ZEMAX软件对则汇集结果进行优化和像质评价。结果表明,该光学系统各个波段上在空间频率14 lp/mm处调制传递函数(MTF)值接近衍射极限,能量集中度大于90%。可用于大多情况下中红外光谱成像分析以及中红外的目标探测及识别。     

高光谱分辨率近红外CO2成像光谱仪设计与模拟

为满足大气CO2吸收光谱测量的要求,基于成像光谱仪基本工作原理和光学设计理论,设计了一种近红外CO2吸收光谱高光谱分辨率成像光谱仪.它采用简单平面反射光栅光谱仪结构,由入缝、两片聚焦透镜、平面反射光栅及两片成像透镜组成.透镜材料为普通常用光学玻璃,为减化系统结构透镜采用了二次非球面设计.采用ZEMAX软件对近红外光谱仪的光学系统进行了优化设计与模拟分析.最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为1 591～1 621 nm,分辨率＜0.08 nm,F数为1.8,满足设计要求.     

桁架式空间光学遥感器热离焦分析

热离焦是空间光学遥感器在轨运行时离焦的主要原因。基于y-nu光线追迹法,得某离轴三反空间光学系统后截距的数学表达式。结合反射镜半径及光学元件间隔随温度变化情况,推导出了某桁架式空间光学遥感器热离焦量的近似计算公式。热离焦计算公式表明,热离焦量与温度成线性关系。     

一次成像折反射式步进变焦距物镜

设计了一个用于远距离监视电视的折反射式步进变焦距透镜。为使微光、白光和近红外三个波段共用一个光学系统,提出一次成像折反射式变焦,并进行了理论分析和给出了设计实例。克服了二次成像折反射式步进变焦方式二级光谱不能校正的缺陷,并且杜绝了像面中心产生黑斑的可能,结构也比较简单。