应用多个非球面优化鱼眼镜头的方法

对于鱼眼镜头一类光学系统,其超大视场的物点对于光学系统的成像,是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论,研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先,通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响,找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面;然后,以这几个面的非球面系数为变量,以光学系统调制传递函数作为评价函数,应用自适应归一化实数编码遗传算法,优化设计鱼眼镜头光学系统;最后,通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置,对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。     

混入逃逸函数的遗传算法优化超大视场光学系统

超大视场光学成像系统在各领域的应用越来越多,但却缺少能够对该类光学系统的像差进行参量化设计的方法。将遗传算法和逃逸函数相结合对超大视场光学系统进行了优化设计。首先,修正了基于平面对称像差理论的超大视场光学系统的评价函数;然后针对遗传算法在优化超多参量光学系统时,其优化解的鲁棒性较差的问题,采用在遗传算法中混入逃逸函数来改善算法的鲁棒性。最后应用改进的算法分别对鱼眼镜头和折反射全景成像系统进行了优化计算,结果表明,优化后光学系统的像质比参考设计有较大的改善。     

基于平面对称光学系统像差理论的折反射全景成像系统优化设计

全景成像技术在机器人、计算机视觉和虚拟现实领域有着重要的应用,与此同时也对其成像质量提出更高的要求。然而,对于此类大视场系统的设计较多地停留在光线追迹的方法,没有出现能对大视场像差进行参量化设计的方法。现将平面对称光学系统像差理论应用于此系统,得到关于光学参数的像质评价函数,采用差分进化算法解决多变量评价函数的优化问题,实现了一种折反射全景成像系统的优化设计,并用Zemax光线追迹软件证实了理论的正确性。结果表明,此类系统可以采用平面对称光学系统像差理论来优化设计,该思路是正确有效的。     

非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头成像建模和校正

非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头是面向视频监控应用的一种新型鱼眼镜头,与传统的鱼眼镜头不同,非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头采用非角对称光学系统设计原理,其有效成像面为椭圆,并且采用非线性畸变分布成像函数,能够实现对大视场中关键区域的增强畸变。通过对其非相似成像的研究,建立一种全方向光线跟踪下的镜头成像混合畸变模型,使用B样条曲面和曲线分别拟合径向和切向畸变函数,然后通过五面立体角度标定空间实现对镜头成像函数的精确标定,最后实现畸变图像的校正。     

基于波像差理论的光学系统评价函数

将Lu的平面对称光学系统的波像差理论与Koike定义的极紫外(XUV)光栅仪器的评价函数相结合,从而可以得到该评价函数关于光学系统参量的解析表达式。应用该评价函数优化一XUV单色仪光学系统,并运用光线追迹程序Shadow对该光学系统的优化结果进行数值成像计算和比较,证明现发展的评价函数是一种优化XUV光栅仪器十分有用的手段。     

用两维扩展光源像差理论优化XUV单色仪设计

为了给反射镜和光栅组成的光学系统提供一种有效的优化方法,应用吕等提出的两维扩展光源平面对称光学系统的像差理论,Namioka等定义的XUV(极紫外)光栅仪器的评价函数和改进的遗传算法发展了优化设计程序,对一XUV单色仪光学系统进行优化。通过光线追迹程序Shadow进行数值成像计算来验证优化结果,并和相关参考文献中的结果进行比较。比较结果表明应用的评价函数适用于两维扩展光源的XUV单色仪光学系统优化设计。     

基于波像差理论的实数编码遗传算法优化XUV光学系统

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质,结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数,提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法,并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹,并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升,表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统,为此类系统的优化设计提供了新的思路。     

平面对称光学系统的像差(I-像差理论的扩展)

扩展平面对称光栅系统的像差理论,使之适用于光线斜入射下平面对称折射光学系统的像差计算。结果使反射、衍射、折射光学系统的像差系数用同一组公式表达;应用基于费马原理的光线追迹解析法可以验证结果表达式的正确性。阐述了如何应用我们的波像差系数,导出轴对称对称光学系统的赛德尔初级像差。另外,文章还研究了当主光线位置改变所产生的像差修正。     

采用多种群遗传算法的全景成像系统非球面设计

提出了一种基于多种群遗传算法(MPGA)的折反射全景成像系统非球面元件的设计方法.结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面两镜系统像散表达式.在此基础上,利用MPGA,以像散作为非球面两镜系统像差评价参数,求解出满足消像散及指定透视投影关系的非球面面形方程.给出MPGA求解非球面面形的实现过程,并用遗传算法最小二乘混合优化算法得到了便于实现光线追迹和像差计算的非球面多项式.研制了一个焦距为-1.2 mm,F数为1.5 ,视场为360°×(35～90°)的折反射全景成像系统,给出了实验图像,获得了较好的成像质量.     

鱼眼镜头后光组初值设计

在鱼眼镜头的设计过程中,设计者往往依赖设计经验选择专利作为初始结构,缺乏理论指导。在鱼眼镜头前光组结构和后光组的光焦度以及光学间隔的基础上,提出一种求解鱼眼镜头后光组曲率半径初始参数的方法。通过前、后光组球差和彗差的波像差平衡条件建立方程组,求解该方程组后得到后光组的各光学面曲率半径初值,并以曲率半径初值作为参考值,应用Zemax软件进一步优化,得到初始结构。研究表明,应用这种方法求解鱼眼镜头后光组的初始光学参数,能使优化算法在较短时间内搜索到最优的参数解。     

用于球幕电影的鱼眼物镜

本文介绍了球幕电影的原理以及球幕电影摄影用和放映用鱼眼物镜的设计方法,论述了鱼眼物镜的结构型式和象差特点,并给出了摄影用和放映用两种鱼眼物镜的实例。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

长波红外广角地平仪镜头的光学设计

介绍适用于非致冷凝视式焦平面阵列的长波红外(LWIR)广角地平仪镜头的光学设计.其工作波长范围10～16μm,全视场角为135°.采用"负-正-正"型式的反远距像方远心光路镜头结构,仅有三块非球面锗透镜构成.能够很好地解决广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题.此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大,成像质量接近于衍射极限,在20lp/mm空间频率处的调制传递函数值超过0.6,像高与视场角关系偏离线性的相对误差不超过15%.文中还分析了此镜头的加工和装调公差.     

Offner补偿器的结构设计与装调

针对90nm节点光刻投影镜头中使用的非球面存在高次项,且与理想球面偏离量较大的特点,基于像差补偿理论,设计了一种三片式结构的Offner补偿器来实现非球面的高精度检测。采用等量轴向球差补偿非球面各阶系数的方法,主动引入一定量的轴向球差,补偿光线在非球面法线方向的偏离量。结果表明,初级像差和高级像差可很好地平衡,使剩余像差很小;MTF远远超过衍射极限;系统工作波长为632.8nm,F数为1.64,均方波差RMSλ/1250;系统轴向像差0.47μm,满足基本干涉成像条件;各方面指标均满足高精度检测补偿器的设计要求。最后,根据现有检测装置的精度对所设计的结果进行了公差分析,给出了较宽松的公差容限。公差分配后,系统综合残余波像差0.00727λ,满足系统装调精度要求。     

广角微型投影镜头设计

投影机更新速度快,高分辨率、轻便微小的投影机已是时代的需求。通过分析微型投影成像系统的特点,根据几何光学理论,用Zemax软件设计了一款投影显示芯片为0.61inch(1inch=2.54cm)、投射比为0.68∶1的微型投影镜头。镜头由2片非球面透镜和6片常用玻璃材料透镜组成,结构简单,系统光学总长为60mm,有效焦距为9.26mm,后工作距离大于20mm,最大口径小于23mm,全视场(FOV)为80°,相对孔径为1∶2.2。在71lp/mm特征频率处,全视场的调制传递函数均大于0.5,全视场相对畸变小于2.0%,镜头成像质量好。对微型投影系统进行容差分析,得出一套较为宽松的公差,适合生产加工。     

近视防控离焦镜片像质评价方法的探讨

近视防控离焦镜片的光学性能评价的过程中,通常以镜片的屈光度地形图作为分析依据,对成像质量的影响目前研究较少.从像质评价入手,搭建了一套镜片?相机测试系统用于测量离焦镜片的光学传递函数(MTF).整个系统是由光源、成像模块、镜片夹持工具、棋盘标定板和MTF分析软件系统组成的.实验过程中对相机镜头、国内明月离焦镜片、国外Z...     

Offner补偿器的结构设计与装调分析

90nm节点光刻投影镜头中使用的非球面都存在高次项,而且对理想球面的偏离量较大。本文设计了一种基于三片式结构的Offner补偿器,实现了对高次非球面面形的高精度检测。采用等量轴向球差补偿非球面各阶系数的方法,主动引入一定量的轴向球差,补偿光线在非球面法线方向的偏离量,结果表明：对初级像差和高级像差很好的平衡,使剩余像差很小;MTF 远远超过衍射极限,系统工作波长为632.8nm,F数达到1.64,均方波差RMS<λ/1250。满足了高精度检测补偿器的设计要求。最后根据现有的检测装置的精度对所设计的结构进行了公差分析,给出了较宽松的公差容限。     

红外双波段双视场成像告警系统设计

针对复杂环境下远距离点目标弱目标探测的需求,设计了红外双波段双视场成像告警系统。为提高其目标探测能力以及环境适应能力,该系统采用高阶非球面,减少系统镜片数量,提高系统透过率,同时校正轴上、轴外像差及高级像差,提高系统成像质量;采用光学被动消热差方式,实现了光学系统-40~60℃的无热化设计。采用旋转电磁铁为驱动元件,实现了80 ms大/小视场切换速度以确保目标在视场切换过程中不丢失。采用电限位、机械限位以及磁力锁紧机构作为限位组件,实现了大/小视场切换后光轴晃动小于两个像素的稳定精度。设计结果表明,该红外成像告警系统光机结构设计合理、结构紧凑、成像质量好,满足目标探测要求,在红外成像告警领域具有较好的应用前景。