大景深胶囊内窥镜光学系统设计

小肠肠道发病原因隐匿并且小肠存在大量褶皱,大景深光学系统有利于在诊断过程中获得更多的病理信息,而目前市面上的胶囊内窥镜光学系统景深较小。所提胶囊内窥镜光学系统在保证一定分辨率的同时,还可在7～100 mm大景深范围内有效成像。该系统视场角为100°,F数为5,在全视场范围内调制传递函数均大于0.35（在125 lp/mm频率处）,在与之搭配的OV9734成像芯片上能够满足成像要求。并对该光学系统进行了公差分析,结果表明其在可加工范围内能满足常规生产与装调。     

非球面光学设计技术综述

非球面光学在工业、国防和商业等领域的应用中具有十分重要的意义。当用非球面设计光学系统时,非球面方程的选用十分重要,决定着系统最佳优化结果。文章介绍了非球面光学技术的发展过程。分析了常用非球面的应用方程,井对非球面应用方程的特点及非球面系数的关系进行了概述,较详细地分析了各类非球面应用方程的适用范围,最后概述了非球面光学在军事、工业等领域的应用以及发展趋势。     

高分辨率空间同轴偏视场三反光学系统设计

同轴三反射光学系统具有体积小、装调精度要求低,且成像质量好等优点,因此在高分辨率航天遥感领域有着广泛的应用前景。通过初级像差理论求解了同轴三反光学系统的初始结构参数,设计了焦距25m,F数为12.5的同轴偏视场三反光学系统。设计结果表明,该系统采用矩形视场偏置,杂光少,引入折叠镜后系统总长f′/6.0～f′/6.6,结构紧凑,视场角达0.6°×0.3°,适合线阵时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)传感器以推扫方式成像,空间频率50lp/mm处,各视场的调制传递函数(MTF)均大于0.47,接近衍射极限,成像质量良好,特别适用于高分辨率对地精细观测等领域。     

基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题,提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法,推导了三反系统焦距和后截距的表达式,求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线,基于ZEMAX光学设计软件,通过对同轴初始结构进行离轴优化,得到了一个矩形视场172,焦距1 440 mm,F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面,可同时满足宽视场角和高分辨率的要求,在空间频率50 lp/mm处,调制传递函数大于0.6,接近衍射极限。结果表明:该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时,可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围,提高信息获取效率。     

大视场高分辨率深海探测变焦光学系统设计

为满足深海探测需求,实现深海中更高质量成像,设计了深海专用的连续变焦光学系统,该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境,考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降,对光学窗口进行光机集成分析,将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后,光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m,变焦全程F数恒定为3.0,可实现全视场角5.7°～90°范围内可调,10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面,系统总长为260 mm。在208 lp/mm处,整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3,另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑,成像质量良好,变焦曲线平滑,可以满足实际应用的需要。     

大视场离轴三反光学系统设计

针对地球环境遥感的大视场和宽 光谱的应用需求,在同轴三反光学系统的基础上,通过 视场离轴实现了无中心遮拦,并设计了一种焦 距为120 mm、F数为3.5、工作波长为0.4~1.65 μm、像元尺 寸为7.5 μm以及采用Cook三片式结构的光学系统。在没有使用自由曲 面的情况下,实现了30°×4°的大视场。其中,主镜为六 次双曲面,次镜为二次扁椭圆面,三镜为四次扁椭圆 面。在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率处的调制传递 函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.6,接 近衍射极限。其弥散斑直径的均方根值小于探测器的像元尺 寸,畸变小于2.5%,说明本文系统具有优良的成像性能。     

一款超小型广角医用内窥镜镜头的设计

为了满足现代医疗内窥镜对小型化、便携性以及广角的需求,结合现代塑胶非球面和注塑成型技术,使用Zemax光学设计软件设计了一款超小型医疗用广角内窥镜镜头。该镜头使用了两片塑胶非球面,其光学结构为负正结构形式且分别位于孔径光阑的两侧。设计结果显示:该镜头的F数为6.0,全视场角为150°,系统总长为3.38 m,镜头外径为2 mm。该设计在1/2奈奎斯特频率处,各视场均大于0.45。通过对该镜头的测试,其图像清晰,能够较好地观察到人体内部组织的细节,满足医疗使用的要求。     

高空预警探测用450 mm口径红外非球面光学系统设计

针对高空预警探测系统中红外光学系统的需求,在分析大口径光学系统结构特点的基础上,研究了非球面系统的特点,结合两镜R.C系统结构计算方法,提出系统主要性能指标,并设计了一个符合要求的450 mm口径红外非球面光学系统.     

基于机器视觉的非球面双远心工业镜头设计

根据大尺寸零部件精密测量的需求,设计了一套基于机器视觉的非球面双远心工业镜头,有效地代替人眼进行检测。系统采用7片透镜组成的对称式结构,孔径光阑居正中;引入2个新型非球面提高成像质量,并最大程度的减小了系统体积,使系统总长为292 mm。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时,调制传递函数MTF值均高于0.6,并进行公差分析,满足成像要求。系统工作距127.3 mm、入瞳直径300 mm、景深80 mm、最大畸变0.005%、远心度小于0.01°,实现了大口径、大景深、低畸变等设计要求,达到了双远心的目的。该系统可广泛应用于航空航天、轨道客车和汽车船舶领域的生产和检测等环节。     

基于同时多表面设计原理的非球面成像光学系统初始结构构造方法研究北大核心CSCD

设计非球面光学系统,尤其是含有多个非球面光学表面的光学系统,合理的初始结构可以有效地减少设计工作量,提高后续的优化效率,本文提出利用同时多表面(simultaneous multiple surfaces,SMS)设计原理构建初始结构的方法,并且分析了其在成像光学系统设计中的像差特性,根据分析提出了利用SMS方法开展非球面光学系统初始结构设计的流程。最后使用该方法获得一款激光雷达接收装置的光学系统初始结构,经过进一步优化后,得到了工作中心波长850 nm,系统焦距20 mm,相对孔径为1/1.6,视场角为40°,总长小于30 mm的设计结果,验证了该方法在确定非球面光学系统初始结构方面的可行性。     

基于自由曲面的大视场离轴四反光学系统设计

反射系统具有体积小、重量轻、无色差、成像性能优良等特点,广泛应用于航空机载领域。本文基于矩阵光学理论,并以此建立非线性方程组,用数学软件求解得到满足要求的初始结构。优化过程中不断调整系统各镜的偏心和倾斜,消除系统的中心遮拦。在光学系统中引入自由曲面,提升了光学系统的轴外像差平衡能力,增大系统视场角。设计了焦距100 mm,视场角20°×20°,相对孔径为F/7的离轴四反射镜光学系统。结果表明,该光学系统具有较大的成像视场,结构紧凑,无中心遮拦,成像质量接近衍射极限。     

基于FPGA的胶囊内窥镜图像采集系统

为了提高胶囊内窥镜的图像帧率,研制了一种基于FPGA的胶囊内窥镜图像采集系统。其内部包含了利用FPGA编写JPEG压缩核用于减少图像数据量。它主要由图像胶囊内窥镜,便携式图像接收器和计算机处理软件三部分组成。文中将详细讨论这三部分软硬件设计。本文完成胶囊内窥镜图像采集系统的原型系统搭建,测试结果表明原型系统达到设计要求。     

激光热灼枪准直镜头设计与非球面优化方法

为了满足激光武器对光束质量日益增长的需求,提出了一种光学准直系统的设计思路及非球面镜优化方法,并将该方法成功应用于一款激光热灼枪的镜头设计,使该枪可以在更远范围内获得更高质量的准直光束。首先在战技参数分析和光路计算的基础上得到初始结构,而后对其进行非球面优化,并基于ZEMAX对两次仿真结果做出对比分析,数值结果显示优化结构具有显著优势,其非球系数和曲率半径分别为0.584 mm和115.37 mm,光能利用率在使用GB 1316-88减反射膜的情况下可达99.92%。经过公差分析后加工出镜头并与枪体组合进行了木板烧蚀实验,实验与仿真结果吻合度良好,镜头性能的优越性证明了所提出设计及优化方法的可行性与合理性,也为其他领域的类似问题提供了一定的参考价值。     

大口径非球面的超精密回转扫描测量技术研究

分析了基于衍射准直技术的f-θ透镜系统特性,进而提出一种大口径非球面轮廓测量方法。以二维相位板生成的衍射准直光束为测量基准光束,并以衍射光斑的暗线为位移基准,通过将超精密直线运动和超精密回转运动有机合成,实现了对大口径近平面非球面三维轮廓的回转扫描测量。研制出了实验样机,可测量的大口径非球面直径达500 mm,单点稳定性优于1μrad/200 s,与AK100Fizeau干涉仪的比对测量结果为PV值=0.1λ和RMS值=0.05λ,验证了本文提出的方案能够胜任大口径近平面非球面的三维轮廓检测,为将顺序扫描法拓展至大口径范围深度非球面轮廓测量提供了坚实的理论基础。     

用粒子群算法设计非球面准直透镜的方法

提出了一种用于LED准直照明的非球面透镜设计方法,该方法产生于对非球面几何光学特性分析和粒子群优化算法优越的寻优能力。用该方法设计了一个基于点光源准直的出光口径30 mm的非球面透镜,为了证明准直透镜的准直效果,用光线追迹方法模拟了准直透镜对于点光源的准直过程。模拟结果显示,点光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为0.004 60,0.8 mm0.8 mm LED光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为4.91,表明了粒子群算法用于非球面准直透镜设计的可行性和有效性。与现有的设计方法相比,该设计方法意义更直观,实施更简单。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

一种基于PON技术的光传输系统方案设计

简要介绍了无源光网络(PON)的工作原理,提出了一种基于PON技术的光传输系统的系统组成,对系统的网络分布结构、传输方式、传输业务类型、帧结构、带宽分配、测距等方面的设计进行了说明,并给出了系统的OLT、ONU原理框图.