大变倍比液体透镜变焦系统设计

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论,将各组元焦距作为变量,列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程,得到符合条件的初始结构;再利用优化设计软件进行像差平衡,设计了一个具有4片液体透镜,焦距为20~120mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66lp/mm处均大于0.3,畸变小于2%,满足设计要求.     

电湿效应变焦光学系统的设计与分析

与传统的通过电机调节透镜相对位置达到变焦目的设计完全不同,提出了一种设计无机械运动变焦光学系统的新方法.利用亥姆霍兹自由能最小化方法推导出适合双液体变焦透镜的杨氏方程,将以气液固三相系统为基础的传统杨式方程扩展到了液液固三相系统.以圆柱结构的双液体变焦透镜为组分设计了一种新型的变焦光学系统,分析了系统在外加电压作用下使焦距变化的同时又能保持像面不变时必须满足的条件.模拟结果表明该系统的变倍比大约可达到1:1.5.     

液体透镜变焦系统高斯理论分析

基于液体透镜的变焦系统不需要移动光组即能实现变倍的功能,这种变倍工作方式可应用于具有特定需求的成像系统,近年来备受关注。探讨了液体透镜参数(变焦范围,通光口径)对变焦系统变焦性能的影响,从理论上得到了液体透镜变焦系统最大变倍比以及最大视场角的计算公式。根据理论计算的结构,求得该结构下液体透镜变焦系统的变焦曲线表达式。从变焦曲线可知,系统从短焦向长焦方向变化时,系统变倍比增长速度越快,系统焦距变化越灵敏。利用上海理工大学研发的液体透镜进行仿真,设计了一款变倍比为6,全视场角为60°的液体透镜变焦系统高斯结构。该设计不仅验证了理论推导的正确性,也可作为实际液体透镜变焦系统的初始结构。     

双液体透镜变焦系统的高斯光学分析

液体透镜是一种新的光学元件,它实现了无机械变焦,给变焦系统的设计提出了一种新的概念。使用一种比较少见的口径较大的液体透镜组成变焦系统。对液体透镜的原理进行了介绍,对液体透镜变焦系统的设计方法进行可行性分析,给出了各种设计方案,使用Zemax对变焦系统进行仿真。针对大视场给出使用了前置透镜组的方案,得到了一个视场60,变倍比6.2倍的变焦系统。     

基于高斯括号法的液体透镜调焦眼底相机光学系统设计

提出了一种采用液体透镜(LTL)补偿人眼屈光度变化的新型眼底相机光学系统,应用高斯括号法推导了液体透镜光焦度与人眼屈光度的函数关系式,计算并搭建了包含人眼模型的眼底相机近轴光学系统。在优化过程中控制人眼瞳孔位置与液体透镜共轭并保证位于它们之间的光学系统放大率接近1,使成像光束能够通过液体透镜;光源与角膜共轭,采用环形光源结合偏振光照明,并在探测器前加入检偏器降低系统杂光。设计并研制了视场角为50°、物方工作距为40mm、总长小于220mm的便携式眼底相机光学系统,拍摄了不同屈光度状态下的模型眼在采用液体透镜和不采用液体透镜补偿的眼底图片,结果表明:通过液体透镜的电控变焦能对-10D~+10D(1D=1m-1)的人眼清晰成像。该系统结构紧凑、无机械运动部件,大幅降低了光机系统的复杂程度。     

液体变焦技术的发展与展望

介绍一种非移动式变焦技术一液体变焦技术。对国内外液体变焦技术的科研成果进行了归纳和总结,介绍了液体变焦透镜的基本原理及实现形式,分析了液体透镜的优异性能及其对光学领域的影响。根据液体变焦技术的发展现状和工程应用情况,指出液体变焦技术目前的研究重点主要应放在如何克服温度场和重力场对液体透镜性能的影响等机理研究,液体透镜的离轴系统和非对称系统的设计以及加速液体透镜的产品化等工作上。     

液体透镜在变焦系统中的应用

利用液体透镜进行变焦系统设计可以大幅降低系统的复杂程度,本文介绍和讨论了该项技术的研究和应用现状。首先,基于液体透镜的分类即渐变折射率透镜和变曲率透镜介绍了几种主要液体透镜的原理和特点,给出了具有代表性的ARCTIC透镜系列和Optotune透镜系列的设计参数和优点。然后,对液体透镜技术在变焦系统中的应用进行了分析,描述了其在变焦眼镜、手机相机、内窥镜和显微镜等诸多领域中应用的现状和优势。最后,利用液体透镜设计了一种长焦距变焦系统,该系统可实现2.5倍的可见光变焦。     

低压双液体变焦透镜的理论及工艺研究

通过对仅有单层介电薄膜双液体变焦透镜模型的相关理论分析,得出介电层薄膜的厚度及均匀性对双液体变焦透镜的性能影响很大,并绘制了双液体变焦透镜焦距与驱动电压、介电层厚度的关系曲线.在此基础上,以降低双液体变焦透镜的驱动电压为目的,对介电层的选择进行了分析,选择既可充当介电层又可充当疏水层的派瑞林材料作为双液体变焦透镜的介电层材料,通过真空蒸发镀膜工艺得到了合适厚度的介电层派瑞林薄膜,并对所镀薄膜表面形貌以及厚度进行了测试.选择氯化钾以及溴代十二烷作为导电液体和油性液体,利用离心方式除去液体中溶有的气体,进而制作完成双液体变焦透镜样品.电驱变焦实验得到低压双液体变焦透镜样品的变焦范围为±20mm,驱动电压约为30V,对于实验过程中出现的迟滞效应,通过对杨氏方程中引入摩擦力项,合理地解释了其原因.     

基于介电润湿三液体透镜的变焦光学系统的设计与分析

提出了一种基于介电润湿效应的三液体透镜与传统固定透镜组合的三组元结构变焦光学系统.在一、三组元固定不变的情况下,通过移动中间三液体透镜组改变系统焦距,并通过三液体透镜的自变焦特性,确保系统在变焦的同时保持像面位置不变.采用光焦度高斯括号法求解系统的初始结构参量,利用Zemax光学软件进行系统设计与优化,最后对系统的成像质量进行分析.结果表明:该系统总长22mm,可实现2.7~20.3mm范围内的连续变焦,系统变倍比接近8,在空间频率180lp/mm处调制传递函数值均大于0.4.     

基于PDMS基片的可变焦柱透镜

设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8～1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为＂芯片上的实验室＂提供了一种重要的光学成像元件。     

用高斯光学和三级像差理论求变焦距物镜的初始解

ZEMAX和CODE V等光学设计软件,虽然有很强的优化功能,但如果想得到好的设计结果,初始解的选择至关重要。求初始解的普遍做法是,将已有的光学系统或其中某一个组元拿来进行缩放。这种办法带有盲目性。另一种方法就是利用高斯光学和三级像差理论求变焦距物镜的初始解。这一方法有助于创新设计,但却很少被应用。本文介绍了作者在运用这一方法过程中产生的观点、理念、经验和成果。本文通过一个十倍变焦距物镜设计实例,详细介绍了求初始解的过程,为了验证该初始解的效果,还用ZEMAX进行了像差优化。为了增加说服力,设计过程的每一步,都给出了具体的数据,包括经ZEMAX优化得到的最后结果。     

Design of liquid-glass achromatic zoom lens

Optical liquids are ideal materials for designing apochromatic lens due to their lower refractive index and higher Abbe numbers than those of the ordinary optical glasses. Based on the Buchdahl dispersion formula, the dispersion coefficient diagram of liquids and glasses is established. The liquid-glass combination lens(LGCL) with small secondary spectrum is obtained by calculating the combination structure with low dispersion liquid and glasses. The initial optical structure of the liquid-glass apochromatic lens(LGAL) can be obtained by replacing two glass lenses in an initial optical system with the LGCL. Using the multi-configuration optimization of ZEMAX, the liquid-glass achromatic zoom lens (LGAZL) can be designed by optimizing the LGAL. The LGAZL has an objective field of view ?63 mm–?57 mm, an image field of view 8 mm, a working distance 240 mm and the zoom range of focal length 75–85 mm. The chromatic aberration and the secondary spectrum of the LGAZL are all less than 3 μm in the whole zoom range.     

PW法对连续变焦光学系统初始结构的求解

介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。在物像交换原则的基础上对光学系统的各组件进行光焦度分配和间距的选择得到变焦系统的结构形式。通过改变PW值的大小以及正负选择最佳的玻璃组合,消像差以及计算透镜的形状。利用PW初始结构求解法设计得到了焦距为50 mm~20 mm的中波红外变焦系统,该系统包括5片透镜以及2个非球面,结构简单并且满足100%冷阑匹配。最终得到光能透过率高,成像质量好的连续变焦光学系统,可以满足实际应用需求。因此,PW初试结构求解法在连续变焦光学系统设计中具有一定的借鉴意义。     

遗传算法在变焦曲线优化中的应用

由于变焦系统的凸轮曲线对变焦过程中像面的稳定、操作的灵活性都有重要影响,因此变焦曲线的优化设计有着重要的意义。首次采用遗传算法对机械补偿类型的变焦曲线进行了优化设计,并给出了实例。这样得到的曲线比传统的让变倍组作线性移动得到的曲线要明显平滑,证明了遗传算法用于变焦曲线优化设计的可行性和有效性。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

用于光具座自动测量焦距的变焦光学系统设计

为了提高光具座自动测焦距时的测量精度,设计一套连续变焦光学系统。该系统包括自准直组件和变焦组件两部分,可以调节CCD靶面上接收到的图像大小,得到最佳测量结果。根据设计指标要求,在控制系统总长的基础上进行初始结构选择和像质优化。设计完成后的自准直组件焦距200 mm,变焦组件焦距200 mm~20 mm,对接后的变焦系统可实现图像大小1~10连续调节。模拟实验表明:变焦系统像质良好,MTF曲线接近衍射极限,弥散斑小于CCD像元大小,可以满足实际检测需求。     

50 mm～1 000 mm大变倍比变焦光学系统设计

为了满足机场跑道外来物光电探测系统对高像质、大变倍比、长焦距、小型化变焦镜头的需要，利用Zemax软件设计了一款50 mm～1 000 mm机械变焦镜头。该镜头采用机械补偿变焦结构，采用超低色散镜片来矫正变焦过程中引起的大色差问题，通过评价函数操作数对镜头的结构尺寸以及像质进行优化。通过优化设计，整个系统由28片球面透镜组成，系统总长小于400 mm，MTF在100 lp/mm条件下逼近衍射极限（MTF>0.2），RMS弥散斑半径在中心视场条件下小于5 μm，场曲小于0.1 mm，畸变小于1%，绘制了变倍组与补偿组的运动变化曲线，曲线平滑没有断点。分析结果表明:该系统满足机场跑道外来物探测的实际应用需求，对于大变倍比变焦光学系统设计具有一定的参考意义。     

圆孔液晶透镜的ZEMAX设计与优化

液晶透镜是自由3D显示的新器件,其原理是利用基于向列相液晶指向矢随外加电场作用发生变化的光电特性。本文提出一种简易准确的透镜参数设计和优化方案。以单圆孔结构的液晶透镜为例,利用光学软件ZEMAX和焦距缩放法对圆孔结构的液晶透镜的参数加以设计并优化。分析液晶透镜的像差,评价成像质量。结果表明,优化后的液晶透镜的像差明显减小,3.5°视场下,弥散斑均方根半径RMS值由248.118μm减小到62.192μm,为原来的25.1%;光学调制传递函数MTF值明显改善。最后实验测试验证了液晶透镜阵列的衍射光斑亮度及清晰度均显著提高。     

二组元变焦距系统辅助设计的软件研究

虽然常用的光学设计软件能够对具有良好的初始解的变焦距系统进行光路的优化计算,但它们对初始系统本身的构建和设计缺乏足够的支持能力。论述了一种二组元变焦距初始系统辅助光学设计软件的设计思路。该程序大大简化了设计人员选择和验证初始系统的计算过程,通过与常用光学设计软件(Zemax和SOD88)的交叉配合,可充分利用它来校正像差和优化系统的性能,能很快地完成变焦距初始系统的构建和评价。实践证明:该软件能够大大加快变焦距系统的设计进程。