微光全景光学系统设计
微光全景光学系统设计
杨子建;胡博;张宣智;刘峰;闫磊
【摘要】According to the property of low‐light‐level (LLL ) imaging system ,the LLL pano‐ramic imaging system was designed ,which was made up of a reflection part and a transmission part .The basic theory for designing the reflection part was expounded ,and according to the theory ,a imaging system of good performance was designed and optimized .This system has a waveband of 0 .4 μm~ 0 .9 μm ,an effective focal length of 2 .43 mm ,a working F‐number of 1 .5 ,and a field of v iew of 30°~100° .Simulation results show that in the entire field of view , the distortion is less than 6% ,the value of the modulation transfer function (MTF) at 24 lp/mm is greater than 0 .3 .The system can meet the demands for imaging .%根据微光像增强器成像特性，设计了微光全景光学系统，采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法，并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2．43mm，工作波段0．4μm～0．9μm，有效工作 F数1．5，水平视场360°，垂直视场30°～100°。设计结果表明，系统全视场f‐θ畸变小于6％，调制传递函数在24 lp／mm处大于0．3，系统指标满足成像要求。
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】5页(P24-27,28)
【关键词】光学设计;微光;宽波段;全景成像
【作者】杨子建;胡博;张宣智;刘峰;闫磊
【作者单位】西安应用光学研究所，陕西西安710065;西安应用光学研究所，陕
西西安710065;西安应用光学研究所，陕西西安710065;微光夜视技术重点实验室，陕西西安710065;微光夜视技术重点实验室，陕西西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】TN223;TH703
引言
微光成像系统是一种利用光增强技术的光电成像系统，它可以大大改善人眼在微光下的视觉性能。传统的微光成像光学系统一般遵循中心投影法，只能对较小的视场成像，由于其局限性，在任何一个视点处所获取的信息是孤立的某个有限空间部分。在某些特殊场合，为了实现对周围整个场景信息的整体获取，引入微光全景成像，通过采用特殊的全景成像装置，获取水平方向360°、垂直方向一定角度的视场。
当前实现全景成像的方法主要有3类：1）旋转与拼接全景成像。旋转成像需要精确的旋转运动控制部件及复杂的算法，多摄像机拼接成像图像配准困难，而且这种成像方式成本高，系统复杂［1］；2）鱼眼全景成像。鱼眼镜头具有很短的焦距，视场角接近甚至超过180°，但这种成像存在较大的图像畸变，且其畸变模型不满
足透视投影条件，无法从所获取的图像中映射出无畸变的透视投影图像，同时视场角越大，光学系统越复杂，造价越昂贵，并且视场角变弯，物像对应关系复杂，补偿困难［2－3］；3）折反射全景成像。根据反射次数分为单反射面折反全景成像和多反射面折反全景成像，比较典型的折反全景成像代表是P.Greguess在1986
年提出的全景环形透镜成像（panoramic annular lens）。本文结合微光成像及
全景成像的技术特性［4－6］，选择折反射全景成像方法。
1 设计指标
微光全景成像光学系统设计指标为
工作波段：0.4μm～0.9μm
F＃： 1.5
水平视场：360°
垂直视场：30°～100°
探测器：二代半像增强器（φ18mm）
2 设计方法
微光全景成像光学系统的基本特点是大视场、短焦距，根据这个特点我们可以把此类光学系统归为反远距光学系统，其初始结构的一阶参数计算可以据此展开［7］。如图1所示，系统由前组（前置反射镜组）和后组（中继系统）构成。由于微光
系统用于低照度情
图1 光学系统结构Fig.1 Structure of optic system
况下，设计中需要相对较大的口径，且光谱波段宽，因此设计中选择前组由纯反射光学元件构成，这样不但有利于降低光学系统能量损耗，而且由于反射光学元件不引入色差，便于整体系统的色差校正。该前置反射镜组由两片二次曲面反射镜m1和m2构成，系统光阑位于中继透镜组上。由公式（1）～（3）可知，对一定的
入瞳直径（取规划值1）及一定的系统F＃，前组焦距fm或前组F＃m与后组（中继系统）的垂直放大率β成反比，再者考虑到像差的校正，一般取β的绝对
值小于1，具体取值需综合权衡。
式中：p表示匹兹伐半径；φ表示元件光焦度；n为材料折射率。
由像差分析可知，对后组一定的入射角而言，前组的角放大率越小，则其视场角越大，与其相关的像差（尤其是畸变）将急剧增加；另一方面，由于系统光阑位于后组上，后组产生的畸变为零，后组产生的一定像散只能通过前组补偿，故前组在初始设计阶段要考虑像散与畸变的校正问题。对后组而言，后组可以补偿消除前组的球差、彗差、场曲，由于前组为纯反射光学面不产生色差，后组要求单独消除色差，考虑使用胶合透镜。此外，由于前组的角放大率很小，负光焦度很大，产生很大的负场曲，因此要求后组存在正场曲与之平衡，后组可以采用正透镜分离的形式，并且由上述公式可知，对一定的正光焦度而言，其折射率越低越好，而负光焦度情况则与之相反。
为了降低前组像散与畸变，根据像差理论分析可知，只要能控制主光线最大入射角度，就能很好地控制前组的像散与畸变，经进一步分析可知，起主要作用的为反射面m1。
为了合理选择二次反射曲面，设计过程中推导了角放大率α与二次项系数k及入
射光线与光轴夹角u之间的关系式，本文以双曲面为例进行阐述。如图2所示，
由解析几何［8］可知，对双曲面面型的反射面m1而言，存在如下关系：
式中，为曲面的离心率。将（4）式～（6）式联立可得：
图2 双曲线的几何关系图Fig.2 Geometric property of hyperbola
此式对其他二次曲面面型的反射面同样成立，故第一个反射面m1的角放大率及
入射角可分别表示为
对整个前组而言，其角放大率可表示为
式中，前组等效二次项系数
当入射角一定时，整个前组角放大率α与k值之间存在固定的对应关系，故而第
一反射镜m1的二次项系数k1与第二反射镜m2的二次项系数k2的取值关系要
满足（11）式所对应的k值要求。此外，前组角放大率取值要考虑后组的因素，
本文中最大视场角取100°，考虑到后组的承受能力，角度放大率取值－0.3。由公式（10）可知，此时k为－1.4，对应的k1与k2之间关系如图3所示：
图3 k1与k2关系图Fig.3 Relationship between k1and k2
由图3可知，k1值的选取对m1面的影响突出，若反射面m1为双曲面，则反射
面m2为椭球面，考虑到整个系统结构尺寸，需要在初始设计阶段合理取值。以
反射面m1的二次项系数k1为自变量定性分析，则反射面m1对应的反射光线与光轴夹角u′、角放大率α、最大入射角ip的变化规律如图4所示。
图4 u′、α、ip 变化规律图Fig.4 Changes of u′、α、ip
为了确定前组结构，还需要结合其场曲的校正要求确定二次曲面顶点曲率半径R1、R2、结合二次曲面反射镜的共焦性质确定其顶点间间隔d12及中继系统的入瞳位置（以其与主反射镜的距离表示）dp。具体计算公式分别表示为
根据以上分析可以看出，整个系统第一反射镜的尺寸最大，为了确保设计尺寸的合理性，我们可以得到反射镜口径D与顶点曲率半径比值与其视场角ω（单位：rad）的关系表达式为
为了方便讨论，任取二次曲面常数，比如－3，则二次反射镜口径与视场角的关系如图5所示。
图5 ω与D／R变化规律图Fig.5 Relationship betweenωand D／R
3 设计结果
依据设计方法最终选择前组第一片反射镜为双曲面，第二片反射镜为椭球面，根据初始光学系统指标合理约束相关参数，利用光学设计软件设计优化得到性能良好的系统前组后，根据光瞳匹配原理合理设计系统后组，最终得到了满足系统指标要求，整体性能良好且满足成像要求的光学系统，其光学系统原理图如图6所示。
图6 光学系统原理图Fig.6 Lay out of optic system
图8 场曲、f－θ畸变曲线图Fig.8 Field curvature and f－θ distortion
4 小结
本文重点阐述了折反射式全景成像系统中反射式前组的设计原理，并根据该原理设计优化得到性能优异的成像系统，完成了微光全景光学系统设计。设计的系统工作波段为0.4μm～0.9μm，有效工作F数1.5，实现水平视场360°，垂直视场30°～100°，焦距2.43mm。设计结果表明，在空间频率24lp／mm处的MTF值大于0.3。全视场f－θ畸变小于6%，设计结果性能优良，满足设计指标要求，对同类折反射式全景成像系统设计具有一定借鉴意义。
该系统由前组（反射前置镜）及后组（中继系统）构成，中继系统由4片玻璃透
镜构成，其中两面为非球面，满足工作波段0.4μm～0.9μm，有效工作F数1.5
的指标要求。使用中该系统实际光轴竖直放置，水平视场为环形的360°视场，垂
直视场30°～100°，其有效焦距2.43mm，系统全视场f－θ畸变小于6%，调制
传递函数在24lp／mm处大于0.3，且系统色差也得到很好的校正，如图7～图9所示。
图7 MTF曲线图Fig.7 MTF curve
图9 相对照度曲线图Fig.9 Relative illumination
【相关文献】
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微光全景光学系统设计
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（1）在系统通用对话框中设置系统参数。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“3”； 在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图： 在波长设定对话框中，输入0.55um一个波长，如下图： （2）在光阑后添加2个面，如下图： （3）使用倾斜/偏心工具将第3面Hologram 2表面围绕X轴旋转45度。
（4）设置Hologram 2来定义两个构造光束。为了从Hologram 2中获得衍射光的方向，构造光束必须经过准直，光束2必须汇聚成一个虚拟焦点。我们需要使用Hologram 2进行反射，所以它的材 质必须设置为“镜面(Mirror) ”，这明确地表明光线在到达Hologram 2表面后将以相反的方向传播。根据这个思路，我们将 构造光源点的坐标(x, y, z)设置如下。光束1是准直光束(0, -∞, -∞)。光束2的构造点设置在(0, 0, -100)，这样会使光束聚焦在离Hologram 2表面100 mm的地方。
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透镜的工作原理不同，因此需要根据实际需要选择不同的透镜进行组合使用。 二、光学透镜的设计 光学透镜的设计主要是通过透镜的曲率、厚度和折射率等参数进行计算。其主要的目标是使透镜将光线聚焦到一个特定位置，并将成像品质达到最好。因此，在透镜的设计过程中，需要考虑它的曲率和厚度等因素，以及光线的入射角、工作波长等因素。 而透镜的最佳设计方案则是需要考虑多个因素的综合作用。在实际应用中，透镜的设计还有很多问题需要考虑，包括透镜尺寸的大小、透镜表面的处理等。 三、光学成像系统中的光学原理 光学成像系统中的光学原理主要是指光线在不同折射率介质中的传播定律。在光线从空气进入透镜时，会发生折射现象。而折射角和入射角之间的关系可以通过斯涅尔定律来表示。根据斯涅
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噪声源是光电成像系统中的一个重要问题。设计者需要对系统 中的各个环节进行噪声源分析，并采取相应的抑制措施。例如， 可以使用低噪声的光敏元件和对噪声进行滤波处理，来降低噪声 对图像质量的影响。 第三章：光电成像系统的性能分析 3.1 分辨率 分辨率是衡量光电成像系统性能的重要指标之一。通过设计合 适的光学系统和选择高性能的光敏元件，可以提高图像的分辨率。同时，还可以采用图像处理技术对获得的图像进行后处理，来进 一步提高分辨率。 3.2 灵敏度 灵敏度是光电成像系统的另一个重要性能指标。它反映了系统 对光信号的响应能力。在设计过程中，可以通过选择高灵敏度的 光敏元件和增加光源的亮度，来提高系统的灵敏度。 3.3 動態範圍 动态范围是指光电成像系统能够接受的光强范围。在设计过程中，需要选择合适的光电元件和电路，以扩展光电成像系统的动 态范围。 3.4 信噪比
光学成像和光学系统的设计和分析方法
光学成像和光学系统的设计和分析方法 随着现代科技的发展，光学成像技术越来越被广泛地应用于各个领域，包括电影、摄影、医学、航空、汽车、军事等。光学成像技术是通过光线的传播和反射，将物体的视觉信息转化成图像的技术。其中，光学系统的设计和分析是光学成像技术的核心。 光学系统的设计 光学系统是由多个光学元件（如透镜、反射镜、棱镜等）组成的，通过合理的组合和调整，来对光线进行控制和处理，实现成像的目的。光学系统的设计是围绕目标进行的，通过分析后，确定光学系统的核心参数，进而决定光学元件的类型和位置等。 在光学系统的设计过程中，有以下几个关键步骤： 第一，确定光路。光路是指从物体到成像平面的光学路径。通过确定光路，可以计算出物体到成像平面的距离和各光学元件之间的距离，为后续的光学元件的选择和组合奠定基础。
第二，确定光圈和视场。光圈是指进入光学系统的可视范围， 视场是指在成像平面上呈现出的可见范围。通过确定光圈和视场，可以选定合适的透镜口径和视场大小，来满足成像需求。 第三，选择合适的光学元件。不同的光学元件有不同的光学性 质和特点，如折射率、薄厚比、曲率半径等。在选择光学元件时 需要根据物体性质、成像需求以及制造成本等因素综合考虑，选 定符合要求的光学元件。 第四，确定光路参数。光路参数包括透镜的焦距、物距、像距、主点位置以及系统放大率等。通过计算光路参数，可以确定系统 的分辨率、像差和畸变等性能指标。 光学系统的分析 光学系统的分析是为了评估光学系统的性能和缺陷，找出系统 的优化方案，保证光学系统的完整性和稳定性。 光学系统的分析可以从以下几个角度进行：
第一，分析物体和成像平面之间的关系。通过计算物体到成像 平面的距离、像高、像场大小、像散等指标，来评估光学系统的 成像质量。 第二，分析光路和光学元件的匹配度。光学系统中的光学元件 具有不同的特征，如透过光圈的直径、角度、相对位置等。通过 分析光路和光学元件的匹配度，进一步确定系统的分辨率、像差 和畸变等性能指标，并找到优化方案。 第三，分析光学系统的结构和材料。不同的光学元件和结构， 对成像的影响不同。产生像差的原因可能是透镜表面的不同取向，或者材料本身的性质。通过分析光学系统的结构和材料，可以找 到能够改善成像质量的优化方案。 第四，分析光学系统的稳定性和可靠性。光学系统的稳定性和 可靠性是保证成像质量和系统寿命的关键。通过对系统的结构、 材料、环境等进行分析，可以确定系统的稳定性和可靠性，并找 到相应的解决方案。
光刻机中光学系统的新设计实现更大视场更高分辨率更小尺寸更高光照强度更高案分辨率和更高能效
光刻机中光学系统的新设计实现更大视场更高分辨率更小尺寸更高光照强度更高案分辨 率和更高能效 在当前科技发展的背景下，光刻机作为半导体制造中重要的装备之一，其性能的提升对于芯片制造的进步至关重要。光刻机的光学系统 是影响其性能的关键因素之一，因此针对光刻机中光学系统的新设计，实现更大视场、更高分辨率、更小尺寸、更高光照强度、更高纳米级 分辨率和更高能效的目标成为了研究的热点。 一、更大视场的实现 在光刻机中，视场指的是光刻机镜头能够清晰成像的面积。传统的 光刻机视场有限，限制了芯片的制造规模和效率。为了实现更大视场，提高芯片的制造效率，研究者们采用了多种方法。其中之一是采用更 大口径的镜片和更长的焦距，通过增大透镜的物理面积和接收面积来 扩大视场。另外，也可以使用多个镜头组合成复合透镜系统，进一步 扩大视场。此外，还可以采用非球面设计的透镜，通过优化光路，避 免畸变，实现更大视场。 二、更高分辨率的实现 如今，芯片制造对于分辨率的要求越来越高。为了实现更高分辨率，光刻机中光学系统的设计需要做出相应的改进。传统光刻机中使用的 光的波长较大，无法满足高分辨率的要求。因此，研究者们引入了极 紫外光（EUV）技术，EUV光的波长远远小于传统紫外光，可以实现
更高的分辨率。此外，还可以采用更高级别的透镜材料，通过调整透镜的参数来提高分辨率。 三、更小尺寸的实现 随着芯片集成度的提高，对于光刻机的尺寸要求也越来越小。为了实现更小尺寸，光刻机中光学系统的设计需要更加精巧。一种常见的方法是采用折射式光学系统，通过设计复杂的光学元件来折射和聚焦光线。此外，还可以采用微光学元件，如微透镜阵列等，通过微纳加工技术制造出更小尺寸的光学元件，从而实现光刻机尺寸的缩小。 四、更高光照强度的实现 光刻机中光的强度是影响芯片制造质量的重要因素之一。为了实现更高光照强度，光刻机中光学系统的设计需要提高集光能力和传输能力。其中，采用高能量激光器作为光源是一种常见的方法。高能量激光器可以产生高强度的光，能够满足高精度的芯片制造要求。此外，透镜的设计也需要考虑到光的传输损耗问题，通过降低光的损耗来提高光照强度。 五、更高纳米级分辨率的实现 纳米级分辨率是光刻机设计中的重要指标之一。为了实现更高的纳米级分辨率，光刻机中光学系统的设计需要克服多种难题。一方面，引入更高级别的光学材料，如非球面透镜、抗反射材料等，可以提高光的聚焦能力，从而实现更高分辨率。另一方面，通过优化光路，减
光学系统设计
光学系统设计 光学系统设计 光学系统设计是指通过光学元件将光线进行控制和转换，以满足特定的光学需求。在现代科技领域中，光学系统设计已经被广泛应用于各种领域，例如医疗、通信、测量、制造等。本文将从以下几个方面详细介绍光学系统设计。 一、光学元件的选择和优化 1. 光学元件的分类 根据其功能和形状，光学元件可以分为透镜、棱镜、反射镜等。其中透镜是最常用的光学元件之一，它可以将入射的平行光线聚焦成点或者将散开的光线汇聚成束。 2. 光学元件的选择原则 在进行光学系统设计时，需要根据具体情况选择合适的光学元件。一般来说，选择一个合适的光学元件需要考虑以下几个方面：
（1）波长范围：不同波长的光线对应不同折射率和色散率，在选择透镜时需要考虑到使用波长范围。 （2）孔径大小：孔径大小直接影响到系统分辨率和透过能力。在选择透镜时需要考虑到孔径大小。 （3）曲率半径：曲率半径决定了透镜的成像质量和聚焦能力。在选择透镜时需要考虑到曲率半径。 （4）材料特性：不同材料的折射率、色散率、透过率等特性不同，需要根据具体情况进行选择。 3. 光学元件的优化方法 在进行光学系统设计时，为了达到理想的光学效果，需要对光学元件进行优化。常见的优化方法有以下几种： （1）球面形状优化：通过调整球面曲率半径和位置等参数，来达到最小化像差和提高成像质量的目的。 （2）非球面形状优化：通过调整非球面曲面参数来实现更高级别的像差校正。
（3）多元素组合优化：通过组合多个光学元件来实现更高级别的像差校正和成像质量提升。 二、光路设计和分析 1. 光路设计原则 在进行光路设计时，需要遵循以下原则： （1）保证光线传输路径上无遮挡物； （2）保证系统中各个光学元件之间的距离和位置精度； （3）保证系统中光线的传输方向和光路长度。 2. 光路分析方法 在进行光路分析时，需要使用以下方法： （1）光线追迹法：通过计算入射光线的传输路径和折射角度等参数，来确定成像质量和像差情况。 （2）矩阵法：通过矩阵变换来描述光学元件之间的传输关系，从而计
光学系统设计过程介绍
光学系统设计过程介绍 展开全文 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项 性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。 二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法： 1.根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。 2.从已有的资料中选择初始结构 这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采用。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要
求的初始结构。初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。 三、象差校正和平衡 初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。 四、象质评价 光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。但是任何光学系统都不可能也没有必要把所有象差都校正到零，必然有剩余象差的存在，剩余象差大小不同，成象质量也就不同。因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。评价光学系统的成象质量的方法很多，下面简单介绍一下象质评价的方法。 1.瑞利判断 实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过1/4 波长。其是一种较为严格的象质评价方法，适用于小象差系统如：望远镜、显微物镜等。 2.分辨率
高功率LED成像光学系统的设计与优化
高功率LED成像光学系统的设计与优化 随着科学技术的不断发展，LED （Light Emitting Diode，发光二极管）作为新 型的照明光源，已经成为了众所周知的一种高效、可靠、环保的照明工具。但是在现代成像系统中，人们对高功率 LED 的成像技术的同样期待，因为其具有响应速 度快、发射视角清晰、色彩鲜艳等优势，被广泛应用于医疗成像、机器视觉和移动成像等领域。本文将介绍高功率 LED 成像光学系统的设计与优化。 一、成像光学系统的基本构成 成像光学系统是由多个光学元件系统组成，每个元件的作用是将光线进行精确 的聚焦和控制，获得清晰、锐利的成像效果。其中，高功率 LED 成像系统主要由 光源系统、透镜组、光阑、光学滤波器等部件构成。 1. 光源系统 高功率 LED 光源系统是整个成像光学系统的核心组成部分，其性能直接影响 到成像质量和效率。因此，在 LED 光源的选择上应尽可能遵循以下原则：（1）发光效率高。高功率 LED 的关键特点之一是其发光效率高，即单位面积 的辐射功率高，可以降低热量损失，保证成像效果的准确度和稳定性。 （2）稳定性好。光源稳定性直接影响到成像系统的精度和可靠性。高功率 LED 具有高稳定性，可以在长时间照明的情况下保持光通量的稳定。 （3）发光波长单一。LED 充分发挥优良的单色性，大大降低了光学失真的可 能性，并使成像数据的质量显著提高。 2. 透镜组 透镜组是成像系统的核心，它主要通过反射和折射折射作用将光线聚焦在图像 检测器上，从而实现成像的过程。选择高性能透镜组，关键在于透镜的焦距和口径。
焦距是透镜的重要参数。不同的透镜焦距适用于不同的场景，它可以决定成像 系统的视角和聚焦深度。在进行高功率 LED 光学系统设计时，应根据具体环境的 要求合理选择透镜焦距，以达到更好的成像效果。 口径是透镜直径的物理量，直接关系到透镜的采光量。一般来说，透镜口径越大，采光量就越大，进而提高了光线的光通量。对于高功率 LED 成像光学系统而言，透镜的采光量可以通过合理选择不同大小的口径来提高成像质量。 3. 光阑 光阑是一种用于限制进入透镜的外部环境光（即降低散射和干扰光）的可调节 装置。使用光阑可以控制光的数值孔径，达到改善成像质量和抵消散射等优点。在高功率 LED 成像光学系统设计中，光阑需要采用更高性能的材料，如结晶玻璃、 氟化镁或铝。 4. 光学滤波器 光学滤波器是用于调整光源波长的装置，其主要目的是分离出目标光线，并滤 除无意义的光线。不同的滤波器可以调整光谱成分，优化成像效果。 二、光学系统的仿真与实验 1. 光学系统的仿真设计 光学系统的仿真设计是一种新型的成像设计方法，可以有效预测和模拟系统的 性能，准确评价设计方案。常用的仿真软件有ZEMAX、CODE V、LightTools等，这里以ZEMAX为例，简要介绍高功率 LED 成像光学系统的仿真设计流程。 首先需要导入LED光源模型，用于模拟光源的电学、热学和光学参数，确定 光束的尺寸、形状、波长和截面等参数。 其次，建立模拟光学系统模型，并使用模板建立光学元件。根据具体要求，建 立透镜组、光阑和光学滤波器的模型，选择合适的材料参数和精度等级。
Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例
Zemax光学设计：一个显微镜照明系统的设计实例 技术指标：设计一个中等倍率显微镜的照明系统。显微镜的技术规格如下所述： 放大倍率：10 NA：0.2（CCD对角的1/2）无限远校正系统（infinity corrected ）: 12mm成像镜头焦点距离：200mm工作距离：45mm使用的光源：2mm NA=0.25 设计仿真： 1.显微物镜的设计首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话 框中设置孔径。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并按设计要求输入“8.0”： 在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图：LDE的结构参数，如下图： 查看2D Layout： 查看点列图：
然后利用Hammer优化进行玻璃替代来决定玻璃材质。Hammer优化 后的LDE： 此时，点列图为：
查看波前差，可以看到在全视场内都在衍射极限之内。 2.目镜的设计首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并 按设计要求输入“8.0”： 3.在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，输入F.d.C三个波长，如下图： LDE的结构参数，如下图： 查看2D Layout： 查看点列图：
3.显微物镜与目镜的续接先物镜进行翻转，可以使用“Reverse Element”工具来进行翻转。首先，将孔径类型修改为“Float By Stop Size”。 然后，即使原本的系统没有光瞳像差，翻转后的新系统也可能有光瞳像差。所以，我们需要打开近轴光线瞄准。我们可以在光线瞄准 (Ray Aiming) 中选择近轴 (Paraxial) 实现这一步操作。
折反式微光夜视物镜的光学设计
折反式微光夜视物镜的光学设计 陈巍;罗春华;崔占刚;姜成昊 【摘要】A design of lowlight-level (LLL) night vision objective with long focal length and high relative aperture is introduced. The design parameters are as follows: the effective focal length is 100mm, the F-number is 1. 4 and the field of view is 10 To improve the visual range, reduce the size and weight of the objective and get achromatic result in wide spectral range, the all-spherical catadioptric structure is selected. Catadioptric system is considerably shorter and lighter than the refractive lens with the same focal length and F-number. The Mangin mirror is introduced into the design, which gives the optical system extra degrees of freedom without adding another element. By optimizing the aberrations, good image quality of the objective is obtained. At the spatial frequency of 50lp/mm, the on-axis modulation transfer function (MTF) of the objective is not less than 0. 4 and the off-axis MTF is not less than 0. 2, which match with the limiting resolution of image intensifier. The distortion of objective is less than 2% in full field of view, and the total length of objective is 68mm.%介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计.设计参数为焦距100 mm,相对孔径1/1.4,视场10°.为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻.在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度.经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50 lp/mm时,轴上传递
40倍显微物镜光学系统的设计解读
目录 摘要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................... I 第一章绪论 ................................................................................................................. I I 1.1显微镜国内外发展情况 (1) 1.2ZEMAX简介及原理 (1) 第二章物镜设计方案 (3) 2.1物镜的种类 (2) 2.2高倍物镜的设计方案 (9) 第三章物镜设计参数及镜片选择 (10) 3.1物镜的数值孔径 (10) 3.2物镜的鉴别率 (11) 3.3物镜的有效放大倍数 (11) 3.4垂直鉴别率 (12) 3.5显微镜的视场 (12) 3.6显微镜物镜设计中应校正的像差 (13) 3.7实际参数确定 (13) 第四章40×显微镜物镜光学系统仿真过程 (121) 4.1选择初始结构并设置参数 (121) 4.2自动优化 (121) 4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (123) 4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (18) 4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (123) 4.6最终仿真参数分析 (24) 第五章心得体会 (21) 第六章参考文献 (21)