机器视觉大视场宽景深光学系统设计

为满足机器视觉中大视场非接触精密检测的需求,实现复杂零件表面在线实时检测,设计了双远心大视场宽景深光学系统,该系统工作距离为200mm、最大视场可达180mm、景深80mm、视放大倍率Γ=16x,可实现对待检产品的三维成像,消除测量误差。通过优化设计后该系统的最大畸变小于0.05%,调制传递函数在全视场150lp/mm处MTF大于0.3,远心度最大值控制在0.1°内,很好的校正了色差、球差、场曲和畸变,像质优良,达到了机器视觉光学镜头的使用需求。     

小畸变针孔广角镜头的设计

针孔摄像机广泛应用于图像监视领域,随着镜头视场角的增大,成像范围增大,图像会产生形变,畸变难以校正。为了控制摄像机的系统畸变并且提高其成像质量,提出了基本结构采取物镜后接转像系统的光学系统,其工作距离为10米,全视场角为100°,相对孔径为1/2,入瞳在光学系统最外侧,焦距为1.67mm,接收器为1/4英寸CCD。优化后全视场畸变小于2%,在200lp/mm空间频率处的MTF值都大于0.3。系统很好的校正了球差、色差和场曲。实现了大视场小畸变的光学特性,适合隐蔽监控场合。     

1300万像素折衍混合式手机镜头设计

设计了两款高像素的折衍混合式手机镜头。两款镜头F数均为2.2,都将第一片透镜的后表面作为衍射面,第一种结构采用正-负-正的三片式,光阑位于第一片透镜和第二片透镜之间,全视场60°,焦距为5mm,系统总长5.8mm,优化后在223lp/mm处所有视场MTF值均大于0.4,在446lp/mm处所有视场MTF值均大于0.19,相对畸变小于2%,第二种结构为四片式,光阑前置,全视场70°,焦距4.2mm,系统总长6.7mm,优化后在223lp/mm处0.7视场内MTF值均大于0.36,在446lp/mm处0.7视场内MTF值接近于0.2,相对畸变小于1%,三片式镜头系统总长小,MTF曲线也更高,但四片式镜头有较大的视场角且场曲畸变更小,两者各有优势。     

广角高清细径视频鼻镜光学系统设计

为了满足现代医疗内窥镜对广角、细口径及高清像质的需求,设计了一款广角高清细径视频鼻镜镜头,该镜头由前物镜组、后物镜组及转像棒镜、场镜组成。该镜头使用了三片场镜,对系统的场曲及畸变进行补偿,同时也减小了光学系统的横向尺寸。系统采用的均是球面透镜,可以降低成本。该镜头设计参数:入瞳直径0.1mm,全视场角为100°,镜头外径为2mm,物镜焦距1.145mm。优化设计结果显示:优化后的系统总长为239mm,在空间截止频率116lp/mm处,光学传递函数(MTF)大于0.4,接近衍射极限,满足分辨率要求。     

基于DMD微透镜阵列的投影仪光学镜头设计

针对传统数字光处理（DMD）投影仪镜头体积较大、像质不高以及无偏轴带来的使用不便等问题,基于完全非对称式反远距型光学系统初始结构设计了一款适用于对角线1.19 cm(1 920 pix×1 080 pix)的DMD投影仪镜头,解决了后工作距离长、畸变小、分辨率高等设计难点,用ZEMAX进行优化,并进行公差分析,结果表明,在工作波长459～618 nm谱段范围内,分辨率极限93 lp/mm（截止频率）处,其调制传递函数（MTF）在边缘视场优于0.4,全视场畸变绝对值≤1.1%,此设计结果具有体积小、使用方便、像质优良、结构紧凑等优势,符合实际使用要求。     

用于OLED数字化白光零位仪的双远心投影物镜

为了实现瞄准镜的瞄准基线变化量在大范围下的高分辨检测,设计一种双远心光路的投影物镜。投影物镜将大靶面、高像素OLED成像在准直物镜的焦面上,经准直物镜后形成无穷远目标,该目标进入被测瞄准镜后成像在瞄准镜的分划板上,通过调节OLED电子分划来实现被测瞄准镜瞄准基线的测量。双远心光路采用准对称的结构以及对称变换设计方法,用Zemax软件对光学系统进行仿真和优化,达到了大视场(物方线视场2y=120mm)、长工作距离(物距达到500mm)、低畸变(全视场畸变低于0.1%)、高分辨率(全视场100lp/mm处MTF大于0.3,且点列图弥散斑直径小于8μm)、大景深(景深大于30mm)、和双远心(物方和像方远心度均小于0.1)的设计要求。系统成像质量良好,设计参数和指标满足光路衔接原则。     

AMOLED头盔显示器光学系统设计及视空间评价

基于投影式物镜,采用新型AMOLED图像源,引入折射/衍射混合结构,通过系统优化,得到一款3片投影式头盔显示器光学系统.该系统采用0.61英寸AMOLED微显示器,视场为45°,质量为1.35 g,直径为11.32 mm,分辨率满足SVGA显示模式,实现了头盔系统的超轻小设计.通过理想透镜焦距变化模拟人眼调节,对其MTF(调制传递函数)进行了精确的视空间评价,评价结果显示:对于3 mm瞳孔,该系统中心视场的MTF在0.5 cycles/arc min处为0.41,远夫于AIM(视网膜空间像调制度)曲线的值     

大视场高分辨率光学检查镜的设计和检测

设计具有大视场、高分辨率和微小畸变特点的工业检查用光学镜头.将检查物镜的设计与照明系统相结合,利用ZEMAX光学设计软件,对照明系统和成像系统整体进行像差校正和优化设计,利用照明的匹配、明视野和暗视野的变化来改变和提高物镜的实用分辨率.设计了具有上述特点的2.35倍光学镜头,对设计好的镜头进行公差分析、外部机械结构设计,并最终完成装校.搭建调制传递函数(MTF)测试系统,对装校后的镜头进行成像质量检验,测试结果显示,实测MTF值达到理论设计值的80%以上.     

大视场光学显微技术的研究

研究了一种可实现大视场光学显微成像的方法。由于双高斯物镜具有较大的视场和较好的光学成像特性,在设计出全对称双高斯结构的基础上,经过适当的结构调整变为双高斯变形结构。弯月形透镜在提供一定的放大倍率条件下,能够尽量少的引进像差,与调整后的双高斯变形结构的像差相补偿。二者结合后,在获得比较大的像方视场的同时,能够实现较好的成像质量,且整个像面上的分辨率趋于一致。最终设计出物方视场9mm,像方视场43.3mm,物面分辨率1.66μm的成像光学系统,此光学系统全视场在300lp mm处的调制传递函数大于0.3。     

用于细胞发酵罐的长工作距变焦显微系统设计

为了改变细胞发酵罐传统观测方式,避免在细胞发酵罐取液过程中发生污染,并且可以观察细胞整体情况与个体外表,设计了一款用于细胞发酵罐的变焦光学视频显微镜,物方视场为1.2～3.0 mm,工作距离为30 mm,物方数值孔径为0.1～0.25。光学系统采用倒置设计,经过选择初始结构与优化等步骤完成光学系统的设计,光学传递函数(MTF)在CCD截止频率处大于0.2,光学传递函数曲线接近理论衍射极限,光斑半径均小于两倍像元直径,色差得到校正小于一倍焦深。通过ZEMAX宏计算得到的凸轮曲线在变焦过程中平滑流畅。使用该光学系统观察细胞发酵罐中的癌细胞并截图,不同倍率下的细胞生长情况都可以在图片中呈现。     

用Zernike自由曲面设计弯曲屏幕超薄投影系统

基于非球面离轴反射式投影系统,提出了采用Zernike自由曲面取代非球面进一步优化系统结构的设计方法,并利用Zernike多项式与Seidel像差之间的关系,优化系统的成像性能.设计采用一片Zernike自由曲面取代四片非球面系统中的一片非球面,使投影系统的厚度从24cm减为20cm,边缘视场的调制传递函数（MTF）在50lp/mm时由45％提高到57％,中心视场及0.7视场的MTF由60％提高到了70％,两系统畸变均小于3％,且由于采用柱面弯曲屏幕设计,场曲均在18mm以下.研究结果表明,应用Zernike自由曲面设计投影系统不仅可以提高光学系统的性能,而且可以实现更加超薄的系统结构.     

工业双远心系统的设计

随着光学技术的快速发展,大多数产品都可以进行在线自动测量,而在线测量时,常由于采用的光学成像系统带来的误差而使测量精度达不到要求,所以提出了一种双远心光学系统,其具有高分辨率,超宽景深,低畸变等独特的光学特性。最终,根据系统的技术指标:物方线视场2y=60mm,工作距离100mm,接收器为2/3″CCD,设计出了一款双远心镜头,该系统包括7片球面透镜,畸变小于0.1%,远心度最大为0.013,当系统的空间频率最大为60lp/mm时,其MTF值大于0.5。该系统在使用较少镜片的情况下,像质依然达到了工业上的测量要求,性价比良好。     

超薄高清手机镜头光学系统设计

现代生活中,手机已经成为了人们生活中必不可少的一部分,照相功能作为手机的基本功能也越来越受到消费者的关注。市场上用户已经把手机性能的选择照相指标作为首位;高像素实用型照相手机已经成为广大消费者竞相首选的对象,因此,设计一款高像素轻薄型手机镜头具有重要的现实意义。围绕焦距是3.5mm手机镜头光学系统进行设计,首先介绍了手机镜头的发展趋势,研究目的、意义以及光学镜头设计的参数要求。介绍了手机镜头的相关知识、同时也研究了作为手机镜头的光学系统初始结构的特点及类型等。设计了焦距是3.5mm手机镜头,系统尺寸紧凑4.149mm;传递函数在中频223lp/mm处MTF≥0.4,在高频446lp/mm处MTF≥0.1,场曲小于0.1mm、畸变小于1%。通过对所设计的手机镜头光学系统的公差分析,结果表明公差合理。     

双激光生物芯片分析仪扫描物镜设计

描述了一种用于生物芯片分析仪的像方远心f-theta扫描物镜.通过对物镜像差参数要求的分析，
选择初始结构，利用ZEMAX进行了光学系统的优化， 给出了数值孔径0.17，焦距40 mm，总长140 mm的f-
theta物镜设计结果的光路图和芯片荧光测试实验结果.f-theta物镜用于生物芯片分析的扫描系统在100
lp/mm的调制传递函数（MTF）在0.35以上，f-theta畸变量控制在0.13%以内，在整个视场内具有高荧光激
发和收集效率，分辨率可以达到10 μm，一块芯片的测试时间可以在200 s以下.     

红外系统无热化检测仪的光学系统设计

为了检验红外导引头光学系统无热化设计的效果,采用光学检测的方法对被测系统在一定的温度范围内焦点位置的偏移进行评估.详细介绍了长波红外无热化检测仪的原理,对检测仪光学系统中的各个组成部分,包括高低温箱窗口玻璃、平行光管和红外显微物镜,进行了深入的讨论.用CODEV重点设计了一个工作在8～12μm波段,数值孔径为0.25,放大倍率为2倍,焦距80mm,全视场为12mm的红外显微物镜.最后对设计结果进行了分析,给出了系统的调制传递函数曲线和场曲畸变图,表明光学系统的像质满足使用要求.     

大相对孔径轻小型星敏感器光机系统设计

星敏感器的光机设计水平直接关系到仪器姿态测量精度的极限。为满足微纳卫星平台使用需求,设计了一种大相对孔径,宽视场的超轻小型星敏感器光学系统及其机械结构。镜头选用6片球面透镜,有效焦距为16mm,工作波长为500～800nm,F#=1.2,视场为20°,全视场内,像点80%的能量集中在3×3像元内,全视场倍率色差小于2μm,相对畸变小于0.1%,优化后所有视场下MTF值均大于0.4。系统总长仅为26mm。针对星敏感器光学系统轻小化需求,选取铍铝合金作为材料进行结构设计。在抗震方面,采用具有相切界面的圆锥类隔圈和压圈以增加接触面积,减小对镜片压强。最终光机系统总质量为10.32g,能够较好的满足小卫星平台的使用需求。     

广角大孔径CCD摄像镜头光学设计

为适应某些特殊场合需要,隐秘型CCD摄像光学系统的广角视场、长工作距离、小空间尺寸、隐蔽性能好、成像质量优良等特殊要求.采用孔径光阑置于镜头前方的新型反远摄结构,并运用了3个非球面.对其设计思想、像差特点进行了分析,设计出焦距1.6mm、视场80°、相对孔径1:3.5的隐秘型CCD摄像镜头,并给出了像差和传函计算曲线.     

小畸变大视场CCD相机光学系统的设计

为提高CCD照相机的成像质量,同时使镜头结构紧凑、小型化,在大视场光学镜头的设计中,采用非球面设计.通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出工作波长为0.4～0.7pm、全视场角为51.15°,相对孔径为1:3的镜头设计实例.该系统采用"天塞型"结构,加入两个非球面后,在501p/mm空间频率处的MTF值超过O.62,全视场畸变小于0.1%,像质优良.     

含衍射透镜的4d视场卡塞格林光学系统

为了改善卡赛格林光学系统的视场,首次将衍射透镜成功地引入大视场卡赛格林光学系统的设计中并给出了设计方案。该系统在次镜后使用了三个校正透镜且第一个透镜的前表面具有衍射面。此系统能在4°视场内获得接近衍射极限的成像质量,各视场的波前差均小于1/4波长,光学传递函数接近衍射极限。设计结果表明,衍射光学元件对于改善卡赛格林系统的视场具有重要的作用,此设计方案降低了对加工工艺水平的要求,成本大大降低,使设计结构紧凑且具有良好的消像差特性,从而找到并实践了提高卡赛格林光学系统视场的新途径。     

基于汽车后视系统的短焦距超广角镜头光学设计

充分考虑了鱼眼镜头的特点,设计了一款应用于汽车后视系统的短焦距超广角镜头。系统焦距3.2mm,F数为2.0,全视场角179°,系统总长17.5mm。采用6片式结构,所有镜片均为球面未采用非球面,大大降低了成本,并对各像差曲线进行了分析,全视场MTF值在100lp/mm达到0.5以上,系统结构简单紧凑,像质优良。