为了满足大角域范围覆盖、高信息量获取的需求, 设计了一种可见光范围的长工作距广角工业内窥镜。该镜头基本结构采用多级成像，物镜系统采用反远距型结构, 转像系统采用透镜式。镜头像面处接 1/3 英寸 CCD, 基于成本及像质方面综合考虑, 采用球面透射式且非胶合方案。使用 ZEMAX 软件对该镜头进行了优化设计, 并进行了像质评价。最终镜头由一个蓝宝石窗口、12 片球面透镜及一个用来延长光程的厚平面组成, 全视场角为 102°, 焦距为 3.25 mm, 工作距全长为 730 mm。光学系统入瞳直径为 1 mm, 成像弥散斑半径大小在 6 μm 以内, 接近衍射极限, 在 50 lp/mm 处的调制传递函数值大于 0.4, 最大畸变值小于 25%。评价分析表明设计结果满足技术要求, 结构合理。

为了在不改变液晶透镜孔径的基础上减小其焦距, 本文提出了一种基于大Δn液晶材料的短焦距透镜阵列。该透镜阵列采用大Δn液晶材料, 使其在低驱动电压下便可以积累较大的光程差。下基板采用ITO驱动电极与ITO接地电极交替排列的结构, 且ITO驱动电极位于介电层上方。ITO接地电极使其边缘区域内存在弱电场, 介电层平滑了液晶层内的电场。该设计不仅在大孔径范围内实现抛物线形的相位分布, 且减小了驱动电压。仿真结果表明, 当驱动电压为6 V时, 该液晶透镜阵列的相位分布曲线与理想抛物线匹配较好。单个液晶透镜中心与边缘的相位差为42.17π左右, 使其达到最小焦距约1.72 mm。当驱动电压从0 V增加到6 V时, 液晶透镜阵列的焦距从∞减小到1.72 mm左右。因此, 该液晶透镜阵列可以应用于2D/3D可切换显示、AR显示等领域。

为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面, 降低超短焦投影的加工成本和装调难度, 设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片, 16片球面折射透镜和一片非球面反射镜, 非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm, 投影距离是424~509mm, 投射画面尺寸是2.286~2.794m(90~110in), 视场角150°, 投射比为0.21, 水平、垂直TV畸变小于0.25%, 相对照度大于90%, MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求, 全玻璃透镜的设计易于加工和生产, 有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。

为实现大视场、低成本、高解析力的高性能手机镜头光学系统,基于ZEMAX软件设计了2个采用不同滤光方式的单中心超广角手机镜头光学系统,匹配于曲面传感器。2个光学系统分别由4片同心塑料透镜和曲面滤光片或红外截止膜构成,系统F数均为1.8,视场角均为130°,系统焦距均为2.64 mm,系统总长均为4.1 mm。中心视场的调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率为200 lp/mm处大于0.5,在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2;0.7以内视场的MTF值在奈奎斯特频率为400 lp/mm处大于0.2。全视场相对照度大于0.42。最大均方根半径小于3.75 μm,符合手机镜头成像要求,实现了超广角、短焦、紧凑型光学系统设计,可加工性强,成像质量高。

为了缩短超短焦距投影仪的机械总长,克服传统离轴超短焦距投影系统的装调困难,降低系统的设计难度,设计了一种同轴的超短焦距投影系统。首先,通过分析像差与系统总长的关系,证明了需要保证系统总长的必要性。然后,通过镂空非球面反射镜中心部分,利用平面或球面反射镜折转光路,提出了一种新的设计超短焦距投影仪的方法。在保证光学总长的同时缩短了机械总长,提高了空间利用率,解决了同轴折反系统中存在挡光的问题。最后设计的系统总长为215 mm,投射尺寸为100 in。系统的投射比为0.17,物方NA为0.2,焦距为1.66 mm。各个视场传递函数在内奎斯特频率处达到0.5以上,各指标都满足了投影系统的要求。同时,在透镜个数相同的情况下,系统的性能都优于传统的投影仪。

为解决短焦距大视场红外经纬仪红外数字图像中因为实际生产过程中光学、机械、装调等因素带入的目标点成像位置误差, 本文中采用了分区处理的思想, 将成像靶面分为多个区, 对每一个区域进行线性最小二乘处理得到所需要的参数, 并将这些参数用于后续的计算, 实验数据表明该方法可以显著提高全视场测角精度。