非球面复眼设计及其制备工艺研究

提出了一种制备非球面仿生复眼的方法。昆虫的复眼是由一个个尺寸微小的独立小眼沿曲面小眼阵列的方式分布在头部的两侧,以实现大视角探测。设计曲面基底上阵列非均匀微透镜结构,沿径向排列的各级微透镜的焦距及尺寸均不相同。根据几何光学成像原理,计算各级微透镜的尺寸参数,对构建的模型进行光线追迹,优化各级微透镜的尺寸参数。分析不同制备技术特点,研究材料性能及不同材料间的关系,提出了可简单、快速的制备非球面仿生复眼的方法。该方法中,利用精密五轴数控机床加工非球面复眼模具,然后通过压力灌注方法将非球面复眼结构转移出来,获得所需的非球面仿生复眼。通过仿真及实验结果表明,整个曲面仿生复眼边缘成像质量明显提高,各子眼通道均能够采集清晰亮斑。     

基于可变焦距的非球面人工复眼定位技术研究

针对单层非均一曲面复眼不能实现变焦距成像,子眼微透镜存在较大球差导致成像质量较差等问题,研究了可变焦距的非曲面复眼,实现一定范围清晰成像。介绍了基于复眼结构的人工目标定位实验系统,建立复眼多目定位数学模型。通过曲面复眼采集多通道目标像点,标定变焦距曲面复眼模型中每个子眼位置,利用最小二乘法解算超定性方程组得到目标点的空间三维坐标。开展多目定位实验,结果表明,随着捕获目标点子眼个数增加,目标定位精度越高,当捕获目标的子眼个数大于20个时,目标定位精度在10%以内。提出的复眼成像定位方案具有可行性。     

红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系

建立了红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系，即可把红外光学系统无热化设计过程看成是广义变焦过程，介绍了设计广义变焦距镜头的过程，并进行了相关的理论推导，设计广义变焦距镜头的过程可分为以下四个步骤；（1）在常温下的满足像质要求的系统内设定变焦位置，（2）建立不同温度状态下的玻璃库；（3）建立不同变焦位置的联系；（4）温度分析与加入消除热效应因素。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

变焦距镜头的凸轮优化设计

变焦距镜头由于其固有特点而得到越来越广泛的应用，目前，连续变焦的变焦距镜头普遍采用机械补偿型光学结构，其中的特定光学透镜组通过凸轮的驱动沿光轴连续移动，从而实现连续变焦，其可变组元数大多为二组或更多。变焦凸轮的优化是这现变焦距镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的关键，军用变焦距镜头尤其应考虑其变焦运动的平滑性和变焦过程的快速性。简述某二可变组元机械补偿型变焦距镜头的凸轮优化方法，给出适合不同凸轮数据点数和二可变组无变焦距镜头光学设计使用的Macro-PLUS凸轮优化宏程序主体。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

一种变折射率光学系统光线追迹的新方法

光线方程仅在系统折射率为轴对称分布及近轴近似条件下可求得解析解,而对非近轴光线,尤其是变折射率系统,只能用计算机进行光线追迹,求数值解。常用之法是Taylor级数展开法,可达到一定精度,但计算量相当大。变形光线方程后,对定义的新变量直接应用一种标准的数学积分技术———Runge-Kutta方法,可达同样精度要求,而计算量大为减小。此法的另一好处是在于计算过程中简化了各光学平面两侧折射率的计算。在介绍Runge-Kutta方法的同时,给出算例以与Taylor级数展开法比较。     

变焦距激光扩束系统的结构设计

对变焦距激光扩束系统的各部分结构进行分析，讨论了各自的作用和设计思路。     

微结构空心POF与单模石英光纤的耦合

为了解决包层为蜘蛛网结构的空心塑料光纤(POF)与单模石英光纤的耦合同题,采用了在两根光纤间插入倒锥透镜型光纤端头的方法,分析了光线在该光纤端头中的传播过程,并对其进行了数值仿真,计算出了耦合效率.给出了光纤端头的最佳耦合长度.     

非球面内表面调制的自由曲面配光透镜设计方法

传统自由曲面LED配光透镜由于在自由曲面求解时存在误差,往往导致最终配光效果不理想。为了进一步提高配光效果,提出基于非球面内表面调制的自由曲面配光透镜设计方法,采用非球面内表面对自由曲面的求解误差进行补偿,有效地减小了自由曲面的误差对配光效果的影响。通过对自由曲面求解误差进行定量计算,建立用于补偿误差的非球面内表面设计方法,形成了基于非球面内表面调制的自由曲面配光透镜的完整的设计思路。将这一方法应用于矩形照明区域的LED路灯透镜设计之中,相对于传统自由曲面配光透镜,照度均匀度由0.66提高到0.73,能量利用率从47.3%提高到63.2%。     

制备人工复眼结构的方法

提出了一种人工复眼结构的制备技术。人工复眼结构是由类似于昆虫复眼的很多小眼组成。这些小眼分布在球冠基底上以能够像昆虫复眼一样实现大视场探测。通过分析不同制备技术的特点及适用范围,研究材料的特性以及不同材料之间的关系,并将各种制作工艺以及材料相融合,发展了一种可用于制备曲面微阵列元件的制备方法。在该方法中,利用微加工技术在平面上制备作为子眼的微透镜列阵结构;然后利用软光刻技术将该微透镜结构进行翻模,获得分布在柔性基底上的凹透镜列阵结构;最后利用浇铸复制技术将柔性基底上的结构转移到球冠基底上,获得所需的人工复眼结构。利用该方法,开展了相关实验,在曲面基底上制备出了包含20 000多个子眼的人工复眼结构。     

计算全息检测非球面的模拟计算研究

非球面与球面相比具有更好的光学性质,应用越来越广泛,但一直受到光学加工和检测技术的限制.用计算全息的方法对非球面进行干涉检测,是目前最成功和最重要的检测方法之一,但在实际应用中,由于待测光和参考光通过计算全息(CGH)后各自均有多级衍射光,其传播方向和干涉情况又受参考光照射方向及衍射距离的影响,导致在实验中不容易判别光路调节是否正确,以及哪一组干涉图样是我们真正需要的.针对这个问题,我们对计算全息检测非球面整个过程中的衍射、干涉进行了模拟计算,通过改变参数,得到了一些有益的结果,通过它们能对实验进行预判和指导,从而避免盲目性和误判.     

含曲面介质结构复杂目标电磁散射计算的射线追踪方法

针对含曲面介质结构的电大复杂目标电磁散射计算问题, 提出一种基于平面元网格模型曲率重构与射线密度归一化概念相结合的快速射线追踪方法.该方法通过曲率重构计算复杂目标表面的主曲率半径, 考虑从光疏介质到光密介质和从光密介质到光疏介质时电磁波照射凹凸曲面所具有的不同扩散或聚焦效应, 并利用射线密度归一化计算射线追踪过程中每一根射线对总散射场的贡献.当射线与介质表面的碰撞点位于焦散处时, 通过引入功率追踪成功克服了传统几何射线管在焦散处的奇异性.仿真结果验证了该方法的正确性和高效性.     

复眼三维目标定位精度分析

为提高视觉测量系统的精度,以一种复眼结构为模型, 着重探讨了复眼系统的多子眼在提高目标定位精度中的作用,并进行系统的仿真分析。首先,对复眼结构进行了简要介绍。随后利用Zemax建立了复眼的光学入射模型。接着,设定标定目标平面并逐点设定空间三维坐标并得到标定点与透镜中心之间的入射角度。然后,建立起入射角度与对应像点之间的关系作为标定结果。最后,根据标定结果分别利用复眼中不同子眼数对空间目标点坐标进行求取。分析结果显示:利用复眼多子眼共同定位目标较传统的双目视觉能获得更高的精度,并且精度会随着子眼数目的增加而提高,该方案为复眼的实际制作和应用提供了良好的指导作用。     

一种掩埋式复眼微透镜阵列

模仿生物复眼,采用光刻离子交换法,在球面玻璃基片中制作了折射率呈三维梯度变化、排列紧密和光学性能良好的微透镜阵列。单元微透镜孔径呈正六角形,光斑大小为4．92μm,相邻透镜元中心距为0．5mm,掩埋透镜高为0．194mm。微透镜阵列具有对称均匀的光学特性,截距自中心至边缘逐渐变小,数值孔径（N．A．）自中心向边缘逐渐变...     

曲面双层带通频率选择表面天线罩设计

针对复杂曲面外形严重影响频率选择表面（ FSS)天线罩传输特性的问题,提出了一种基于表面寻迹技术的曲面FSS天线罩设计方法。首先通过平面网格剖分对曲面进行拟合及表征,然后采用表面寻迹算法对FSS阵列的排布位置进行计算,最后将平面FSS结构投影于曲面外形,从而提高了曲面FSS阵列的排布及建模精度。采用该方法完成了某K频段A夹层曲面FSS天线罩的设计及测试,结果表明该曲面FSS罩的传输特性与平面FSS基本一致,且对天线辐射方向图影响较小,有效消除了复杂曲面外形对天线罩传输特性的影响。     

基于孔径/视场分割的红外复眼接收系统设计

针对红外复眼子光学系统与接收光学系统的匹配问题,在分析仿生复眼设计模型的基础上,研究了基于视场分割和孔径分割的复眼接收结构,给出子眼系统和接受系统应满足的匹配条件,并以此设计了基于视场分割和孔径分割两款红外复眼接收系统。最终设计的复眼子系统工作波段为7.9~9.7 μm,焦距为6 mm,口径为2 mm。设计的基于孔径分割与视场分割的复眼接收系统焦距均为10 mm,视场均为90°,接收口径分别为16.58 mm和10 mm。系统传递函数在30 lp/mm分别高于0.35和0.40。     

曲面复眼中对数型锥透镜成像特性研究

提出利用对数型锥透镜的焦线特性解决球面复眼系统成像过程中球透镜离焦问题.设计锥透镜焦深范围满足复眼系统各个子眼通道成像.通过仿真分析,研究了对数型锥透镜的轴上与离轴成像特性;利用金刚石切削技术和翻模技术实现该锥透镜的批量制造.实验检测结果表明,锥透镜焦线范围内轴上成像光斑直径保持一致;离轴成像时产生的十字光斑,可以通过提取交叉点,确定复眼系统子眼通道离轴成像光斑中心位置.该设计方案可用于消除球透镜固有离焦发散现象,提高复眼中各子眼对其视场内各方向光线成像光斑中心的定位精度,有效改善复眼成像质量.