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。
成像系统 内窥镜成像 医用光学 大景深 光学设计 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2011002
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
环境温度的变化会引起光学系统产生热离焦现象,导致系统像质不稳定。由于材料的限制,在深紫外波段内,光学系统的无热化设计过程和结果十分复杂。因此,提出了拆分设计和单层衍射光学元件相结合的方法实现深紫外光学系统的无热化设计。该方法首先求解了消热差、消色差方程组,并用结果对深紫外光学系统进行拆分再组合,简化了无热化设计过程。然后在组合系统中加入单层衍射光学元件以简化设计结果。用该方法对焦距为110 mm,F数为3.5,温度为-60~100 ℃的深紫外侦察相机镜头进行无热化设计,得到的系统在奈奎斯特频率为18.5 lp/mm处,调制传递函数均大于0.65。结果表明,该方法能解决深紫外透射式光学系统在宽温度范围内的热离焦问题,同时能提升系统的光学性能。
光学设计 拆分设计 深紫外波段 无热化 单层衍射光学元件 光学学报
2020, 40(17): 1722001
1 西安工业大学 光电工程学院, 西安 710021
2 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
3 西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099
为了扩大复眼光学系统的接收光谱，研究了一种可见光、长波红外复眼光学系统.推导了双波段共焦面方程，建立了子眼系统与接收系统的匹配要求.子眼光学系统的工作波段为0.38~0.78 μm和8~12 μm，焦距为5 mm，相对孔径为1：3，视场为10°.两个波段的子眼系统成像位置均为2.92 mm，相邻的两个中心光轴夹角为4.016°，共650个子眼，合并后的视场为90°.接收系统的焦距为4 mm，视场为80°，相对孔径为1：3.子眼系统和接收系统的图像质量良好，在-40~60℃的温度范围内无热差影响.
复眼 宽光谱 共像面 光学设计 透镜阵列 Compound eye Wide spectrum Common image Optic design Lens array
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的，先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型，再对投影镜头整体优化，设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2，焦距4 mm，像方视场角128°，像方0.4 lp/mm（截止频率）处调制传递函数(MTF)大于0.6，最大畸变的绝对值0.9%，镜头总长100 mm，最大口径Φ=80 mm。设计结果表明，该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构，全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。
光学设计 投影显示 超短投射比 非球面 光学学报
2015, 35(12): 1222002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,光栅技术实验室, 吉林 长春 130033
增加激光导星的散射层采样厚度可以提高波前探测器的探测能量,但是存在探测光斑弥散问题.针对该问题,分析并设计了动态聚焦系统.首先分析了采样厚度对波前探测能量的影响,结果显示,波前探测能量随着采样厚度非线性增大,当采样厚度为4 km、激光脉冲能量为10 mJ时,望远镜子孔径接收到的光子数为120,满足探测精度要求.然后分析了光斑弥散对波前探测精度的影响,当采样厚度为4 km 时,波前探测误差约为0.5 λ,探测误差较大.为了实现精确探测,依据分析结果设计了动态聚焦系统,将聚焦反射镜的移动距离由111 mm 缩小到100 μm、移动速度由4200 m/s降低到3.8 m/s,满足应用需求.最后利用Zemax软件进行优化,结果表明,对于4 km采样厚度,光学系统均能实现理想成像.
光学设计 自适应光学 动态聚焦系统 激光导星
1 教育部光学仪器与系统工程研究中心
2 上海市现代光学系统重点实验室,上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
为解决胶囊内窥镜分辨率与景深相互制约的问题, 将一种单液体、电控、可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计, 在保证分辨率的同时, 扩大了系统景深.采用CODE V软件进行设计, 建立系统初始结构, 构造液体透镜模型, 基于液体透镜中液体的体积不变, 曲率、孔径和厚度可变的结构约束特点, 在MATLAB中计算出不同物距下透镜的曲率、孔径和厚度数据, 将其导入CODE V的系统模型中, 并提出了相应的优化流程.设计并优化带有液体透镜的胶囊内窥镜系统, 实现了系统在3~100 mm景深范围内的清晰成像, 视场角大于110°, 全视场范围内调制传递函数在40 lp/mm频率下均大于0.3.
液体透镜 变焦 光学设计 胶囊内窥镜 景深 Liquid lens Focus-tunable Optic design Capsule endoscope Depth of field
1 陕西科技大学电气与信息工程学院, 陕西 西安 710021
2 中国电子科技集团公司第三十九研究所， 陕西 西安 710065
为了得到一个合理的He-Ne激光光束聚焦物镜，采用以正前凸型为基础的高折射率双片结构，应用Zemax软件进行优化设计，获得了弥散斑直径为0.002mm的He-Ne激光聚焦物镜，该镜头只需校正轴上点球差。实验结果表明：设计的镜头比低折射率单片透镜得到的弥散圆直径更小，达到0.0019mm，球差被控制在-0.05mm～+0.05mm范围内，MTF曲线所围面积变大，中心点亮度增高，符合实际需要。
光学设计 聚焦物镜 球差 弥散圆 optic design focusing lens Zemax Zemax spherical aberration dispersion speckle
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
通过对比国内外大口径望远镜光学系统的发展和研究现状,提出针对大口径望远镜系统的加工、装调和使用建立误差分配体系的方案。介绍了误差分配体系包含的内容,并对其进行归类。以1.2 m望远镜光学系统为例,阐述了误差分配原则。首先,根据设计确定总体误差标准,然后,计算误差分配的项数,最后,依据分配原则,结合实际加工和装调水平,给出了合理的误差分配结果。结果表明,在满足目前国内加工要求和装配的条件下,该方案使分配后该望远镜光学系统误差(RMS波像差)＜λ/8.5,为大口径望远镜光学系统的误差分配提供了有力的依据。
望远镜 误差分配 光学设计 telescope error budget optic design ZEMAX ZEMAX
为了适用手机这一特殊领域对微型化和简单化的摄像镜头的需要，在传统球面玻璃镜片基础上结合非球面透镜理论，运用CODE V优化出一个用于可见波段且生产成本低廉的三镜片定焦摄像镜头系统。该镜头总长度小于5mm，并且有着很好的成像效果。为了结构紧凑并且能最大限度地降低生产成本，在结构设计中采用球面的玻璃镜片和非球面的塑料镜片，镜头的适应像素尺寸是2．52μm×2．52μm，相应的尼奎斯特频率是196条／mm，相关的调制传输函数值在尼奎斯特频率的1／2时达到40%，所成像面的球差控制在－0．05mm～0．05mm之内，最大畸变小于0．17%。该镜头可满足手机摄像镜头200万像素的要求。
光学设计 定焦系统 聚烯烃塑料镜 200万像素 optic design fixed-focus system polyolefin-plastic lens two-mega-pixel
1 中国科学院西安光学精密机械研究所所, 陕西 西安 710068
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
分析并指出了教科书及光学软件中光学系统照度公式的不恰当地方,推导出了更符合实际的光学系统照度公式。假设透镜系统为无源传输模式,通过对教课书中以及光学设计软件中的照度分布计算公式进行了推导分析,得出轴外视场相对轴上视场照度为cos4ω′关系。当像方视场角减小时,通过模拟得到了与实际相背的无源传输系统能量放大的结论。建立了以入瞳模式为参考的计算模型,对照度公式重新进行推算得到新的与实际相符的照度公式,得出像面照度分布取决的是物方视场角。通过仿真模拟,验证了像面上轴外视场的照度与对应物方视场角的cos4ω成正比。
光学设计 相对照度 入瞳 出瞳
