1 中电海康集团有限公司研究院，浙江 杭州 310000
2 长春国科医工科技发展有限公司，吉林 长春 130000
3 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130000
机器视觉镜头参数要求有别于其他镜头，为了保证测量精度，要求镜头的光学畸变很小甚至接近零，有的工作场合还要求有很宽的工作距等。设计一种机器视觉镜头，使用8枚球面镜片，采用固定后组，移动前组的调焦结构，实现了在空间频率120 lp/mm处，工作距从无穷远到超近摄0.1 m时，镜头畸变小于0.1%，MTF全视场大于0.4的性能要求。光学系统后组使用了两枚镜片，与后组只有一枚镜片的架构不同，不仅提升了光学性能，还有利于系统的平衡及稳定。整个光学系统没有非球面，也没有高折射率或高阿贝数的特殊玻璃，均为常见的冕牌玻璃和火石玻璃，降低了镜头成本,镜片加工及组装公差范围内量产优良率达90%以上。该镜头光学系统可广泛应用于机器视觉尤其是智能机器视觉行业。
机器视觉 低畸变 光学镜头 光学设计 宽工作距 machine vision low distortion optical lens optical design wide working distance
1 中国科学院 上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院 上海技术物理研究所 启东光电遥感中心, 江苏 启东 226200
本文以空间超大幅宽低畸变红外变焦扫描成像系统为研究对象, 分析给出地面畸变与成像系统瞬时视场角的关系, 提出变速扫描成像并推导了扫描角速度公式。为解决匀速360°旋转扫描效率低和双向摆动扫描成像需安装扫描线矫正器所导致的系统复杂性高、可靠性低的缺点, 设计了一种正弦加速度快速回扫的方法。对变速扫描以及正弦加速度快速回扫方法进行了仿真及实验, 结果表明扫描控制系统慢速扫描与快速回扫之间状态切换稳定, 扫描起止角度误差仅为1.44角秒, 扫描速度稳定度为±0.5%, 扫描成像过程时间误差为83 μs, 回扫时间误差为250 μs, 整个扫描周期时间偏差小于1倍像元积分时间(355 μs), 扫描效率达86%, 在提高了扫描效率的同时减小对扫描机构的冲击与振动, 满足成像要求。正弦加速度快速回扫方法对机载红外扫描成像系统快速回扫运动设计也具有一定指导意义。
大幅宽 低畸变 变速扫描 正弦加速度 高扫描效率 wide swath low distortion variable-speed scanning sine acceleration high scanning efficiency
1 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所 启东光电遥感中心, 江苏 启东 226200
针对光机扫描式超大幅宽对地观测面临的地面成像畸变导致的分辨率随扫描视场增大而急剧降低的问题, 提出了一种变焦距摆扫配合可调狭缝光阑成像的方法, 推导了其在超大幅宽成像过程中需满足的变焦扫描与光阑控制关系式.理论分析表明:当系统光轴倾斜角度和狭缝大小与瞬时焦距满足对应关系时, 可有效消除地面成像畸变, 解决边缘分辨率急剧降低的问题, 实现大幅宽扫描成像过程中地面分辨率始终与星下点分辨率保持一致.此外, 设计了一套变焦摆扫成像系统, 分析证明了该方法具有较大可行性, 这对未来超大幅宽、高分辨率对地成像观测具有重要指导意义.
成像系统 超大幅宽 低畸变 变焦距 imaging system super large width low distortion zoom
哈尔滨工业大学 光学目标仿真与测试技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150080
鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标，为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计，引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明，设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统，在环境温度-10 ℃~70 ℃下，视场角达到90°，畸变小于-0.001 67%，传递函数达到0.4@100 lp/mm，可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时，光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响，根据公差分析，非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求，实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm，传递函数达到设计指标要求，提高了系统的成像质量。
高分辨率 长焦 广角低畸变光学系统 面型精度 high resolution long-focus low distortion wide-angle optical system surface accuracy
1 中国科学技术大学物理系, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器.介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构.根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669％,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求.
光学设计 偏振 多角度 超广角 低畸变
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
为满足空间遥感的迫切需求，设计了星载低畸变超广角气溶胶探测仪系统.系统中多光谱成像仪的光谱范围为0.860～0.965 μm，全视场角为94°，相对孔径为1∶4,采用反远距结构，系统后工作距离为42 mm.根据反远距结构的像差特点，提出了合理选用易于加工的二次曲面校正畸变，并利用光阑像差产生的有效像差渐晕改善像面照度分布设计方法.运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对气溶胶探测仪光学系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析.结果表明,最大畸变为－1.6%，像面上边缘视场的照度大于中心视场照度的46%，光学系统在奈奎斯特频率38.5 lp/mm处的光学传递函数均达到0.59以上，完全满足设计指标要求;体积小，适合空间遥感应用；同时证明了设计方法是可行的.
光学设计 超广角 反远距结构 低畸变 光阑像差 像差渐晕 Optical design Super-wide-angle Retrofocus structure Low-distortion Stop aberration Aberration vignetting
