根据机器视觉物镜对复消色差和高分辨率的要求,将光学系统分成四个光组,对每组初始结构分别进行优化后再组合,得到透镜组的初始结构。利用Buchdahl色散矢量分析方法对部分玻璃材料进行针对性替换,通过多次优化得到符合光学性能要求的复消色差机器视觉光学系统。系统的焦距为60 mm,半视场角为11°,F数为5.45,像方视场可匹配1″大靶面CMOS相机,且各视场的调制传递函数值在200 lp/mm处均大于0.2。系统在0.707孔径处的残余色差为0.01665 μm,满足系统的色差容限。系统的二级光谱为0.08385 μm,基本实现了光学系统的复消色差。实验结果表明,Buchdahl色散矢量分析方法在分组设计和透镜系统的整体优化过程中,可为光学玻璃的选择及系统整体优化提供较大的便利。

为了在室内检测光电测试设备在某种工况下的瞄准线稳定精度、稳定器稳定精度等指标, 需通过平行光管来提供无穷远目标。设计指标要求为: 采用透射式结构, 工作波段400~700nm, D=350mm, 焦距为2.8m, 视场角为3.5°, 全视场内实现复消色差。设计采用柯克三片分离式透镜作为初始结构形式, 根据宽光谱复消色差理论, 选取玻璃材料, 利用校正光学系统色差与二级光谱的条件计算各片透镜的光焦度, 求解光学系统初始结构; 根据大口径宽光谱平行光管像差要求, 引入色球差参数以及消二级光谱参数进行优化, 通过玻璃材料匹配, 实现复消色差。设计结果: 在不引入非球面的情况下, 系统接近理论衍射极限, 全视场波像差RMS值均优于λ/22, 全视场内实现了复消色差, 满足设计指标要求。

为了降低多波段全天空成像仪的复杂度和研制成本, 提出了一种免调焦、高鲁棒性的多波段全天空成像光学系统方案.采用像方远心鱼眼镜头加物方远心像方准远心的有限共轭距成像镜组成二次成像系统, 货架级的窄带滤光片置于一次像面处, 使用H-FK61和KF2两种玻璃实现全系统复消色差.设计结果表明：系统F数为2.8, 波段范围427.8~865 nm, 色焦移小于0.048 mm, 系统8个观测通道的光学传递函数都在0.46以上, 满足使用要求, 且滤光片公差容限非常宽松, 面形公差PV≤λ/2、折射率公差±0.003、厚度公差±0.05, 货架级产品即可满足使用要求.相比传统方案, 该系统省去了探测器调焦机构、且不需要使用定制的窄带滤光片, 达到了简化系统降低成本的目的.

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限, 本文设计了光谱波段为450~800 nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用+ + -结构, 因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难, 前组设置成敏感组分, 承载物镜装调的调校功能, 承担90%以上光焦度; 中间组为弱光焦度组分, 用于校正大数值孔径下的二级光谱, 显著降低了二级光谱校正元件的加工难度; 后组为负光焦度组分, 用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为: 总长58 mm、工作距0.21 mm、视场0.625 mm、倍率40×、数值孔径0.95, 结果表明: 其像质接近衍射极限, 畸变小于0.2%, 满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。

为解决普通生物显微物镜视场小、场曲和色差严重的问题, 本文利用光学软件Code V设计了一款20×平场复消色差显微物镜, 通过合理的结构优化、光焦度分配及材料选择, 使该物镜具有大视场、高数值孔径、平场复消色差的特点。设计分析结果表明, 该物镜平场数为011 μm, 最大焦移量为05 μm, 满足显微物镜国际标准的规定; 光学传递函数(MTF)曲线与理论衍射极限接近, 达到指标要求, 该物镜在可见光范围内实现了平场复消色差设计。公差分析结果表明RMS波前差劣化至024λ, 能够满足加工和实际应用要求。

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例: 工作波长范围400～1100 nm, 焦距2000 mm, 相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学 设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿 贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。 最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5 μm, 中心波长波像差优于1/60λ, 焦距色偏移量为0.33 mm, 其余像差均在设计指标之内。

星敏感器一般由光学系统和光电传感器两部分组成，其中光学系统是最主要的组成部分。星敏感器光学系统的技术指标与成像质量要求较高，并且其体积与重量需严格限制，设计难度较大。在满足体积要求的前提下选择最佳系统结构，合理分配光焦度以减小系统的高级像差与畸变，同时使系统为远心光路；采用特殊色散玻璃校正系统较宽波段范围的色差，并加入非球面以提高系统成像质量。结果表明光学系统各视场实测调制传递函数大于0.344（奈奎斯特频率处），实验室静态传递函数大于0.2（奈奎斯特频率处），成像弥散斑80%的能量集中在直径为23 μm区域内，相对畸变小于0.1%，满足技术指标与成像质量要求。

针对超光谱成像涉及光学、光谱学、机械、微电子、计算机等众多研究领域，成像光谱仪需要小型化设计的要求，设计一个超光谱复消色差的成像系统。从像差理论出发，依据典型的光学玻璃在400 nm~1 000 nm波段的色散特性，导出了消二级光谱的理论公式。针对系统指标全视场7.63°，F/#为5，焦距为60 mm，利用ZEMAX软件，对其二级光谱进行了校正设计。结果表明，在可见光和近红外波段，成像系统在60 lp/mm处的MTF均大于0.5，其他像差也达到了要求。

介绍了以摄远型为初始结构的宽光谱长焦距折射式物镜的设计方法。对玻璃材料的选择进行了分析，并建立了能够分配三分离透镜组光焦度的复消色差方程组。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长范围在0.4～0.9μm、焦距为400mm、视场角为6.2°、相对孔径为1∶4的设计实例。设计结果表明，二级光谱得到了很好的校正，像质优良。