可见光成像系统设计
光电成像原理
§2 光电成像原理一、光电成像系统的基本结构1. 光机扫描方式串联扫描 并联扫描 串并联混合扫描2. 电子束扫描方式3. 固体自扫描方式上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。
从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位。
二、光电成像系统的基本技术参数1. 光学系统的通光口径D 和焦距f /2. 瞬时视场角α、β3. 观察视场角W H 、W V4. 帧时T f 和帧速∙F5. 扫描效率ηf fovT T =η6. 滞留时间d τ对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间d τ，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：αβVH W W n =由d τ的定义，有:∙==F W W n T V H f d αβηητ光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。
§3 红外成像光学系统红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。
一、理想光学系统模型牛顿公式：f f x x //=，///f x x f y y -=-==β 高斯公式：//111f l l=-，l l /=β 二、光学系统中的光阑1. 孔径光阑2. 视场光阑3. 渐晕光阑4. 消杂光光阑三、红外成像光学系统的主要参数1. 焦距f ′决定光学系统的轴向尺寸，f ′越大，所成的像越大，光学系统一般也越大。
2. 相对孔径D/f ′相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D 与焦距f ′之比，相对孔径的倒数叫F 数，D f F /=数。
相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。
衍射分辨率:///22.183.3fD D f λλπσ=⋅= 像面中心处的辐照度计算公式为：22//2/sin n n U L K E ⋅⋅=π 3. 视场四、光学系统的像差光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像。
FLIR Duo Pro R专为小型无人机设计的高分辨率红外热像仪和可见光相机
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可见光传感器的像元尺寸
可见光传感器的像元尺寸可见光传感器是一种用于拍摄和记录可见光的数字成像设备，它主要由像元（Pixel）构成。
像元是指传感器上的一个微小区域，用于接收和转换光信号为电信号。
而像元尺寸则是指像元在传感器上的物理尺寸，通常以微米（μm）为单位来衡量。
像元尺寸是可见光传感器重要的一个参数，它直接关系到成像质量和像素数量。
一般来说，像元尺寸越大，每个像元所能接收到的光信号就越多，从而提高了传感器的灵敏度和动态范围。
同时，较大的像元尺寸还能降低噪声水平，减少对图像细节的损失，从而获取更高质量的图像。
然而，增加像元尺寸也会带来一些不利的影响。
首先，较大的像元尺寸会导致传感器的像素数量减少，从而限制了分辨率的提高。
其次，较大的像元尺寸会增大传感器的大小和重量，增加了制造成本和使用的不便性。
因此，在实际应用中，像元尺寸的选择需要根据具体的需求和平衡各方面的因素。
根据可见光传感器的不同类型和用途，像元尺寸可以有很大的差异。
一些高端单反相机或专业摄像机上的全画幅传感器，其像元尺寸通常在30到50微米左右，能够提供非常高的分辨率和图像质量。
而一般消费级数码相机或手机上的传感器，其像元尺寸一般在1到2微米之间，以满足小巧轻便和成本控制的要求。
像元尺寸也与传感器的制造工艺和技术进步密切相关。
随着半导体制造工艺的不断进步，可以生产出更小尺寸的像元，从而大幅度增加传感器的分辨率和灵敏度。
例如，目前市场上的一些高端智能手机已经具备了4800万像素以上的像元和非常小的像元尺寸，可以实现更高分辨率和更出色的成像效果。
然而，较小的像元尺寸也会带来一些挑战。
首先，小像元尺寸会导致光子的捕获率降低，相对较高的噪声水平和动态范围限制了图像质量的提升。
其次，尺寸越小，像元之间的绝缘层就越窄，会增加电荷转移的困难，从而增加了传感器的电子噪声。
因此，在小尺寸像元的设计中，需要更先进的传感器技术、更优化的电路设计以及更高质量的光学系统来克服这些困难。
光电成像系统的分辨率鉴定与测量技术
图 2 系统性能取决于分辨率和灵敏度因子
当灵敏度受到限制时 ,系统性能取决于目标2背景
的对比强度ΔI ,大气衰减程度和系统噪声 。当分辨率
受到限制时 ,探测距离只依赖于目标尺寸和系统分辨
率 。分辨率在工程实现上的意义在于对目标探测的最
大距离便于进行估算 ,其近似公式为 :
距离 = 目标尺寸/ 分辨率
《现代电子技术》2010 年第 1 期总第 312 期
电子技术应用
光电成像系统的分辨率鉴定与测量技术
张 斌 ,李朝晖
(中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089)
摘 要 :论述了光电成像系统中广泛使用的分辨率指标及分类 ,对空间分辨率模拟度量法的原理和测量方法进行了论 述和分析 。通过研究指出用空间分辨率指标来描述成像系统的质量 ,具有较好的直观性和归一性 。由于单一的空间分辨率 测量指标还不可能给出总的图像系统的性能 ,仅仅基于分辨率指标的图像评估不可能同时保证系统灵敏度设计的技术要 求 。因此 ,结合模拟度量法研究光电成像系统的分辨率测量法 ,给出成像分辨率测量准则 。
Keywords :M TF ; SRF ; spatial resolution ;DAS ; GRD
0 引 言
物理系统中对分辨率指标的使用由来已久 ,它是确 定成像系统性能指标的基本要素 ,尤其是用分辨率作为 衡量图像质量的指标之一 ,人们会因此认为具有较高分 辨率的系统具有较好的图像质量[1] 。一般情况下 ,对于 类似于系统设计这样的问题确实如此 (例如 , 将两个 EMU X 系统相比) ,其 M TF (调制传递函数) 具有相同 的函数形式 。
成像分辨率
SRF = 0. 5 时的角视距
测试 (常用单位)
θ= 1. 22λ/ D / mrad (计算值)
光学设计实验(一)望远镜系统设计实验
光学设计实验（一）望远镜系统设计实验1 实验目的（1）通过设计实验，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用；（2）介绍光学设计ZEMAX 的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX 来实现 2 设计要求(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f’=25mm ，出瞳直径D ’=4mm ，出瞳距>22mm ，视场角2ω’=25︒；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。
（总分：30分）（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f ’、视场角、像差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。
（总分：30分）（3）将上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小约3’左右。
如不符合要求，可结合ZEMAX 中paraxial 理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f ’>100000）等手段。
（总分：30分）（4）回答和分析设计中的相关问题（总分：10分）所有设计中采用可见光（F ，d ，C ）波段。
问题1：望远光学系统和开普勒望远镜的特点问题2：目镜的光学特性和像差特点问题3：常用的目镜有哪些？常用的折射式望远物镜有哪些？ 问题4：望远镜系统所需要校正的主要像差有那些？提示：目镜采用反向光路设计，目镜包括视场光阑，注意目镜孔径光阑的设置。
判定出射光束角像差小约3’左右的方法：在像面前插入一个paraxial 类型的面，若该面焦距（即与像面之间的距离）为1000mm ，则Spot diagram 的Geo Radius 则应小1mm 。
m 91512.5COS 343831000COS 3438322'μω=⨯⨯=⨯⨯≤f R 3 设计流程所谓光学系统设计就是根据使用要求，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、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。
高清针孔镜头光学系统设计
文章编号：1002-2082 (2021) 02-0223-06高清针孔镜头光学系统设计孙彦超，罗 锐，梁秀玲（医学光电科学与技术教育部重点实验室 福建省光子技术重点实验室 福建师范大学，福建 福州 350007）摘 要：安防监控镜头在保护人身及财产安全方面越来越重要，其中针孔镜头因其特殊的结构而被广泛运用。
利用ZEMAX 软件设计了一款用于公安取证，侦察，反恐及高温炉、工业检测等特殊场合的针孔镜头。
针对光阑前置这种失对称的光学系统，通过控制其像散、场曲、畸变等几何像差进行优化设计。
设计的镜头F 数为2，焦距为6 mm ，匹配1/4英寸CCD ，工作光谱为可见光波段，空间频率100 lp/mm 处全视场MTF ≥0.48，畸变≤±3%。
该设计结构简单，全部采用标准球面设计，光学总长小于22 mm ，处全视场MTF ≥0.48，畸变≤±3%。
该设计结构简单，全部采用标准球面设计，光学总长小于22 mm ，关键词：光学设计；针孔镜头；MTF ；畸变；公差分析中图分类号：TN202; O439 文献标志码：A DOI ：10.5768/JAO202142.0201003Design of high-definition pinhole lens optical systemSUN Yanchao ，LUO Rui ，LIANG Xiuling（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology, Key Laboratory of Optoelectronics Science and Technology for Medicine of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China ）Abstract ：Security and protection surveillance lens is becoming more and more important in protecting personal and property safety, among which the pinhole lens is widely used because of its special structure. A pinhole lens was designed by using ZEMAX software for special occasions such as police forensics,reconnaissance, anti-terrorism as well as high temperature furnace and industrial inspection, etc. Aiming at the asymmetric optical system with the diaphragm in front of, the geometrical aberrations such as astigmatism,field curvature and distortion were controlled to optimize the design. The F number of the designed lens is 2and the focal length is 6 mm. The lens matches 1/4 inch CCD, and the working spectrum is the visible light band, with the full field MTF ≥0.48 at space frequency 100 lp/mm and the distortion ≤±3%. The designed structure is simple, which adopts the standard spherical design. The optical total length is less than 22 mm,which means better processing technology and low production cost. The tolerance analysis of the lens was analyzed, and the results show that the optical system has reasonable tolerances, good overall performance, and is feasible for mass production.Key words ：optical design ；pinhole lens ；modulation transfer function ；distortion ；tolerance analysis引言随着社会的发展和科技的进步，在人民生活水平提高的同时，一系列社会不安定因素严重威胁着人民的人身和财产安全，因此很多国家也加大了对社会公共安全防范产业的资金投入和产品开发。
光电成像原理
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
像散
轴外物点成像时还出现另一种像差，这时通过透镜倾斜入射的光 束不能产生一个像点，而出现两条相隔一定距离并相互垂直的像 线。这种像差就称为斜光束的像散。形成竖直线的平面称为子午 平面，形成水平线的平面称为弧失平面
• 衍射分辨率
3.83 f / 1.22
D
D/ f /
• 像面中心处的辐照度
E/
KL sin 2
U/
n/2
n2
四、光学系统的像差
• 光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学 系统近轴区的成像被认为是理想像
• 实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异 即为像差 。
• 单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变 • 色差：轴向色差、倍率色差
• 视场光阑
安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑， 称为视场光阑，它是决定物平面上或物空间中成像范 围的光阑，即是限制视场范围大小的光阑。
• 渐晕光阑
在光线系统中，除孔径光阑在物空间所成的像外，还 会有其他不少光阑在物空间成像，这样就会使本来可以通 过入瞳的轴外物点的光束被遮掉一部分，使轴外点的成像 光束小于轴上点的成像光束，从而使像面边缘的辐照度有 所下降。这种由轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被 其他光阑所遮拦的现象，称为轴外点光束的渐晕。
d
Tf
n
WH WV
•
F
§3 红外成像光学系统
普通的风景照，颜色跟我们肉眼所见没什么区别
红外摄影图片，在红外摄影图片中红外线才是其可见光。其中
10倍望远镜光学系统设计（普罗型）
10倍望远镜光学系统设计（普罗型）10倍望远镜光学系统设计（普罗型）摘要⽬前国内⽣产望远镜的⼚家（公司）较多，产品⼤部分销于国外，⽽对产品的性能精度要求越来越⾼，为适应社会要求，为使学⽣初步掌握光学仪器设计过程，光学系统是在透镜的基础上，以不同的组合来实现的，深⼊研究了正负透镜的成像规律和组合光路的成像特性，才能更好的研究复杂的光学系统，为⾼科技普及于民打下坚实基础。
进⼊⼆⼗⼀世纪，科学技术飞速发展，对应⽤软件的开发和使⽤，成为社会发展的重要途径。
本课题研究的主体是10倍普罗型望远镜光学系统。
普罗棱镜⼜叫直⾓棱镜，是传统的经典设计，⽐较常见的设计是由两个完全相同的直⾓棱镜构成，优点是形状简单，容易加⼯和装配，缺点是相对屋脊棱镜，重量和体积较⼤。
设计出10倍普罗型望远镜的技术指标：放⼤率10* D/f＇=1:6 视场2w =5°正像视度调节范围±5折光度. 分别计算出物镜、⽬镜的焦距，出瞳、⼊瞳的直径，视场光阑的直径，⽬镜的视场⾓，瞳距，⽬镜⼝径，⽬镜的视度调节范围。
将所得数据输⼊ZEMAX软件实现像差的校正与平衡。
最终设计出合格望远镜，画出零件图。
关键词：光学系统设计；望远镜；透镜成像；像差T en times the optical telescopes system design（porro）AbstractThe current domestic production of a telescope of the manufacturer said that most of the foreign product to sell, with the product and higher accuracy, in order to adapt to society, to prepare students to master optical instrument for the preliminary design process 。