可见光成像系统设计

§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。

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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。

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。

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 。

红外成像系统中的透镜设计与Zemax模拟方法的应用简介红外成像系统在许多领域中都有广泛的应用，如安防监控、无人机导航和医学诊断等。

在红外成像系统中，透镜是其中关键的组成部分之一。

透镜的设计和模拟是确保系统性能优化的重要步骤。

本文将探讨红外成像系统中透镜的设计原理以及使用Zemax软件进行模拟的方法。

红外透镜的设计原理红外透镜的设计与可见光透镜类似，但受到其工作波长范围和材料特性的限制。

在设计过程中，需要考虑以下因素：1. 波长范围：红外透镜通常需要在波长范围内具有良好的透过率和成像能力。

不同的应用领域可能有不同的波长要求。

2. 焦距和视场角：透镜的焦距和视场角直接影响成像系统的成像质量和视野范围。

设计师需要根据具体应用的需求进行权衡和优化。

3. 材料选择：红外透镜通常采用透明度较高的特殊材料，如硒化锌、镉镓砷等。

材料的选择需考虑其在红外波段的透过率和成本等因素。

4. 光学畸变：透镜的设计还要考虑到光学畸变的修正，以保证成像系统的精度。

Zemax软件的应用Zemax是一种常用的光学设计和仿真软件，被广泛应用于透镜设计和成像系统模拟。

通过Zemax软件，可以进行以下模拟和分析：1. 光学系统布局：通过Zemax的图形界面，可以方便地创建和调整光学系统的布局，包括透镜的位置、距离和角度等参数。

2. 透镜表面设计：Zemax提供了丰富的透镜表面设计功能，如球面、非球面和自由曲面等。

可以根据设计要求，进行透镜表面的优化和调整。

3. 成像仿真：通过设置合适的光源和探测器，可以在Zemax中进行红外成像系统的仿真。

可以评估成像质量，比如分辨力、畸变和成像亮度等参数。

4. 光学系统分析：Zemax还提供了对光学系统进行优化和分析的功能。

通过调整透镜参数，可以优化成像系统的性能并满足设计要求。

结论红外成像系统中透镜的设计和模拟是确保系统性能优化的关键步骤。

透过Zemax软件的应用，设计师可以方便地进行透镜设计、光学系统布局和成像仿真等工作。

一种光学和SAR图像融合实时系统设计摘要：针对某光电和雷达图像实时融合系统，对融合系统设计进行了概述，并对系统的硬件架构和实时融合处理流程进行了介绍。

最后给出了实时光电雷达融合图像的处理结果。

关键词：光电雷达融合 SAR 可见光/红外A real-time system design for optical and SAR image fusionZhang YulunXi’an Electronic Engineering Research Institute，Xi’an China 710100Abstract:For a real-time fusion system of optoelectronic and radar images, the design of the fusion system is summarized, and the hardware architecture and real-time fusion processing process of the system are introduced. Finally, the processing results of the real-time photoelectric radar fusion image are presentedKeywords: photoelectric radar fusion SAR visible light/infrared1引言SAR图像与光电传感器图像的融合是将相同地区，在不同视角/不同时刻的两种传感器获得的图像进行融合处理，通过特定的融合算法实现特征互补和特征冗余，从而获得比单个传感器更为丰富/更为客观的特征，提高目标识别/目标分类和目标提取和解译的能力。

SAR雷达使用微波成像，具有全天时全天候的特点，不受雨雾，可见光照度的影响，具有一定的穿透能力，能够有效探测各类伪装下的目标。

手机镜头的光学系统设计及杂散光模拟豆修浔;朱佳巍;丁桂林【摘要】In order to meet the demand for high pixels, miniaturization and without stray light of a modern mobile phone lens, a three-unit 5 × 106 pixel optical system based on CODEV software was designed by optical plastic aspherical technology and Monte Carlo ray tracing method. Stray light was analyzed based on LightTools software. After theoretical analysis and experimental verification, the results show that the F number of lens is 2. 6, the full field of view angle is 72. 9°, the total length of system is 3.1mm. Performance test results of the final assembled products meet design requirements and have no unacceptable stray light.%为了满足现代手机镜头对高像素、小型化以及无杂散光的要求,采用光学塑料非球面技术以及蒙特卡洛光线追迹法,使用CODEV光学设计软件,设计了1款三单元5×106像素的手机镜头.同时,运用LightTools光学分析软件进行杂散光分析.结果表明,该镜头的F 数为2.6,全视场角为72.9°,系统总长为3.1mm.最终组装产品的性能测试结果能满足设计要求,且无不可接受的杂散光.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2016(040)004【总页数】6页(P500-505)【关键词】光学设计;手机镜头;光线追迹;杂散光【作者】豆修浔;朱佳巍;丁桂林【作者单位】江苏大学机械工程学院,镇江212013;众盈光学有限公司,中山528441;众盈光学有限公司,中山528441;江苏大学机械工程学院,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TN202随着手机在现代生活中应用越来越广泛的趋势，人们对手机的需求不仅是像素的提高，还有手机镜头的尺寸，要求做到更精小。

第27卷　第3期核电子学与探测技术Vol.27　No.3 2007年　5月Nuclear Elect ronics &Detection TechnologyMa y 2007 基于CCD —镜头耦合的数字X 射线成像系统设计与改进张大鹏,王　义,李元景(清华大学工程物理系,北京100084) 摘要:通过分析现有基于CCD —镜头耦合的数字X 射线成像系统存在的缺陷,对系统结构进行了改进,对系统部件进行了优化。

实验表明,改进后的系统除了获得良好的空间分辨率和检测灵敏度之外,还降低了正向散点噪声对图像的干扰,系统的成像质量得到明显提高。

关键词:数字X 射线成像;CCD ;可见光弥散;散点噪声;反射片中图分类号:　TG 115.281 文献标识码:　A 文章编号:　025820934(2007)0320571204收稿日期:2006202210作者简介张大鹏(—),男(满族),辽宁庄河人,硕士生,从事便携式X 射线成像研究 随着无损检测技术的发展,越来越多的无损检测设备开始应用到工业制造、安全检查等领域。

目前已经商业化的X 射线检测系统主要有4种:胶片成像检测系统、基于图像增强器的实时成像检测系统、基于平板探测器的检测系统、基于CCD —镜头耦合的数字X 射线实时成像系统。

胶片检测系统虽然可以获得很高的空间分辨率,但是无法满足实时检测、实时评估的要求;基于图像增强器的检测系统可以实现实时地观察图像,但是空间分辨率较低,而且受到射线能量的限制,目前这种系统主要用于450keV 能量以下的射线成像检测;数字平板探测器检测系统具有相当好的空间分辨率和动态范围,但是价格十分昂贵,并且也存在不耐辐射的问题。

而基于CCD —镜头耦合的数字X 射线成像系统不但具有良好的空间分辨率和动态范围,而且通过反射介质的光路转换作用将成像器件(CCD )移出X 射线直接照射的区域,因此在高、低能射线源下均能正常工作。

可见光相机探测的识别距离计算在现代光学技术中，可见光相机探测技术占据了重要的地位。

这种技术通过捕捉目标物体反射或发射的可见光波段的光子，进而形成图像，实现对目标的探测和识别。

在实际应用中，可见光相机探测的识别距离是一个关键参数，它直接决定了系统的有效作用范围。

本文将深入探讨可见光相机探测识别距离的计算方法，并分析影响识别距离的各种因素。

一、可见光相机探测的基本原理可见光相机探测主要依赖于光学成像原理。

当光线从目标物体反射或发射，并经过光学系统（如镜头）聚焦后，会在相机的感光元件上形成图像。

感光元件（如CCD 或CMOS）将光信号转换为电信号，再经过信号处理系统（如图像处理器）的处理，最终输出为可视化的图像信息。

二、识别距离的定义及影响因素识别距离是指可见光相机能够清晰识别目标物体的最远距离。

这个距离受到多种因素的影响，包括相机的光学性能、感光元件的灵敏度、图像处理算法的效率、环境光照条件以及目标物体的反射特性等。

1. 相机的光学性能：镜头的焦距、光圈大小以及光学畸变等都会影响成像的清晰度和识别距离。

一般来说，长焦镜头能够实现更远的识别距离，但同时也可能带来图像畸变的问题。

2. 感光元件的灵敏度：感光元件的灵敏度越高，对微弱光线的捕捉能力就越强，从而在一定程度上提高识别距离。

然而，高灵敏度也可能导致噪声增加，影响图像质量。

3. 图像处理算法的效率：先进的图像处理算法可以有效去除噪声、增强图像对比度，从而提高目标物体的识别率。

算法的优化对于提升识别距离至关重要。

4. 环境光照条件：在光线充足的环境下，可见光相机的识别距离通常会更远。

相反，在昏暗或逆光条件下，识别距离会大大缩短。

5. 目标物体的反射特性：目标物体的颜色、材质以及表面粗糙度等都会影响其对光线的反射能力，进而影响识别距离。

例如，深色物体在同样光照条件下比浅色物体更难被识别。

三、识别距离的计算方法识别距离的计算通常需要考虑上述所有影响因素的综合作用。