连续变焦光学系统设计讲座——机械补偿式三组元连续变焦光学系统的设计方法（2）

介绍了机械补偿式三组元连续变焦光学系统的基本工作原理以及光学设计方法的全过程。其中包括变焦和补偿方案的选择、高斯光学各组元焦距分配、外形尺寸计算、初级像差平衡、PW求解、初始结构参数确定、系统实际像差自动平衡及凸轮曲线优化设计等。以图形和公式说理,以OCAD通用自动设计软件为工具,全面介绍三组元连续变焦系统的设计方法及过程。     

连续变焦光学系统设计讲座机械补偿式三组元连续变焦光学系统设计方法(1)

介绍了机械补偿式三组元连续变焦光学系统的基本工作原理以及光学设计方法的全过程.其中包括变焦和补偿方案的选择、高斯光学各组元焦距分配、外形尺寸计算、初级像差平衡、PW求解、初始结构参数确定、系统实际像差自动平衡,直到凸轮曲线优化设计等.以图形和公式说理,以具体OCAD通用自动设计软件为工具,全面介绍三组元连续变焦系统的设计方法及过程.     

机械补偿式三组元连续变焦光学系统的设计方法(2)

介绍了机械补偿式三组元连续变焦光学系统的基本工作原理以及光学设计方法的全过程.其中包括变焦和补偿方案的选择、高斯光学各组元焦距分配、外形尺寸计算、初级像差平衡、PW求解、初始结构参数确定、系统实际像差自动平衡及凸轮曲线优化设计等.以图形和公式说理,以OCAD通用自动设计软件为工具,全面介绍三组元连续变焦系统的设计方法及过程.     

机械补偿式三组元连续变焦光学系统设计方法(1)

介绍了机械补偿式三组元连续变焦光学系统的基本工作原理以及光学设计方法的全过程。其中包括变焦和补偿方案的选择、高斯光学各组元焦距分外形尺寸计算、初级像差平衡、PW求解、初始结构参数确定、系统实际像差自动平衡,直到凸轮曲线优化设计等。以图形和公式说理,以具体OCAD通用自动设计软件为工具,全面介绍三组元连续变焦系统的设计方法及过程。     

机械补偿式三组元连续变焦光学系统设计方法(3)

介绍了机械补偿式三组元连续变焦光学系统的基本工作原理以及光学设计方法的全过程.其中包括变焦和补偿方案的选择、高斯光学各组元焦距分配,外形尺寸计算、初级像差平衡、PW求解、初始结构参数确定、系统实际像差自动平衡,直到凸轮曲线优化设计等.以图形和公式说理,以具体0CAD通用自动设计软件为工具,全面介绍三组元连续变焦系统的设计方法及过程.     

激光变焦扩束光学系统设计

主要介绍了激光变焦扩束系统的设计方法。以高斯光束的准直原理为基础,采用一个倒置的望远系统建立系统物理模型和微分方程,分析得到系统中变倍补偿组件的运动轨迹。然后以二组元变焦系统为例,在理想光学系统的基本目标参数上加入具体的光学参数,并利用软件优化校正像差,设计得到了一种结构紧凑,光束准直性好且成本较为低廉的变焦扩束光学系统。     

线性双组联动型连续变焦光学系统设计

提出了线性双组联动型连续变焦光学系统的一种结构形式。该结构形式是对普通双组联动机械补偿式连续变焦光学系统的简化,其变焦组和补偿组全部采用线性运动,减去了控制变焦组曲线运动规律的变焦凸轮机构。在像面位移补偿过程中虽然会存在小量像面位移,但只要像面位移量控制在允许范围内不影响系统成像质量,给出了线性双组联动系统的具体设计原理和方法。     

连续变焦光学系统的像差自动设计

为了避免连续变焦光学系统中,各组元像差自动设计对设计者经验要求高、计算复杂且计算量大的难点,提出了一种利用差值线性方程组进行像差自动设计的方法,并用此方法设计了一套可见光波段连续变焦光学系统。利用高斯光学计算理想近轴系统的结构参数;利用差值线性方程组进行系统像差自动设计,使系统的初级像差系数SI、SII与SIII在各焦距位置处近似相等;基于像差自动设计结果计算光学系统的初始结构参数;利用Zemax自动设计软件进行像差校正平衡。优化结果表明:系统可实现20~300 mm的连续变焦,且在截止频率50 lp/mm处,各焦距位置各视场的传递函数(MTF)均大于0.4。因此,应用差值线性方程组法进行像差自动设计,可以简化计算,减少对设计者经验的依赖,并且能够取得良好的像质。     

长焦距大口径连续变焦光学系统的设计

根据某探测设备可见光通道光学系统的特点和技术指标要求，详细介绍长焦距大口径连续变焦光学系统结构形式选择、初始结构参数计算及像差平衡的方法，给出运用该方法设计的采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果。对连续变焦光学系统进行了像质检测、实景成像及环境试验考核，其结果表明：该光学系统能满足某探测设备的性能要求。     

潜望镜连续变焦光学系统设计

基于潜望镜的基本原理, 设计了一种焦距252 mm~504 mm的连续变焦潜望镜光学系统, 该系统将传统的采用翻转变倍方体的跃式变倍方式改为沿轴向移动变倍镜组和补偿镜组实现连续变焦的方式。系统经仿真验证及像质分析证明, 各项性能指标均满足设计要求。测试结果表明, 光学系统空间分辨率小于2′。     

AOTF光谱相机前置变焦光学系统设计

基于声光可调谐（AOTF）光谱相机的技术指标和性能要求,采用机械正组补偿方式,实现了10可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程,并用Zemax光学软件进行设计,对设计结果进行了像质评价和像差分析,并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明:该系统在0.38 m~0.7 m波段实现了30 mm~300 mm连续变焦,在空间频率50 lp/mm处调制传递函数（MTF）值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段,具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点,能够满足光谱相机的成像要求。     

非制冷高变倍比连续变焦光学系统的设计

针对长波非制冷氧化钒320240像元焦平面阵列探测器,像元间距25 m25 m,采用变焦距光学系统设计原理,引入非球面和衍射面设计技术进行像差平衡,设计了长波红外连续变焦光学系统。该系统工作波段为8 m～12 m,视场为2.86～50连续可变,F数为1.2,变倍比为18∶1,在整个变焦范围内,光学调制传递函数在0.5以上,接近衍射极限,并且全视场能量70％集中在探测器的一个像元内。整个变焦光学系统仅使用一种红外材料(单晶锗)进行像差矫正。     

透雾连续变焦光学系统的设计

针对透雾连续变焦光学系统的特点,介绍了一种大口径、长焦距、透雾连续变焦光学系统的结构形式选择、系统中各组分相对孔径及初始结构的选取、像差平衡的方法.运用该方法设计的应用于某光电探测设备可见光通道的透雾连续变焦光学系统具有像质好、结构合理、加工装调的工艺性好等优点.     

大面阵连续变焦面阵扫描红外光学系统设计

基于红外扫描图像系统理论,设计了一款采用大面阵1 280×1 024 pixel@12μm/F2中波制冷传感器的连续变焦面阵扫描红外光学系统。按照设计指标要求,对光学系统参数进行分析后,确定采用像方扫描方式补偿扫描平台运动产生的积分时间内的物面移动,解决面阵探测器扫描时的热成像拖尾现象,望远系统采用二次成像、负组元变倍、正组元补偿的结构形式实现连续变焦,即光学系统结构确定为三次成像的型式。在设计程序中对凸轮曲线、扫描光学系统的热冷反射做出分析调整。光学模拟结果显示：系统在扫描振镜往返情况下,全视场的MTF值在频率42 lp/mm处均大于0.3,并且凸轮曲线在整个变焦过程中平滑,没有出现拐点,最大压力角小于50°。最后,对系统开展了成像实验测试,实验结果表明：该控制系统能够在60 mm～600 mm区域连续变焦,在变焦过程中成像周围景色清晰可见,完全没有冷反射情况发生,同时系统在旋转扫描过程中成像均清晰稳定,没有拖尾现象。该系统可用于连续变焦搜索跟踪一体的红外系统中。     

双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力,解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光(0.38~0.76μm)、中红外(3~5μm)共口径连续共变焦光学系统,系统工作焦距为7.52~98.35mm,变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律,推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配,使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同,提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求,采用光学被动式完成双波段光学系统在-40~+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明,系统结构紧凑,反应速度快,整体成像质量良好,可实现昼夜全天候工作.     

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对新一代光电吊舱对轻小型长焦距高清红外变焦成像系统的迫切需求,采用分辨率为1280×1024、像元尺寸为15μm大面阵中波制冷红外探测器,设计了一款变倍比为48、焦距范围为25～1200 mm的中波红外连续变焦光学系统。为了实现小型化设计,采用二次成像、正组机械补偿、平滑换根、结合后组温阑切换变F数,以及光路巧妙折转的设计思路及方法,在保证100%冷阑效率的同时,实现了红外变焦系统的大变倍比与小型化设计。结果表明,该光学系统在-40℃～+60℃温度范围内具有良好的成像质量,且光学最大口径为230 mm,光学总长仅为350 mm,该系统具有结构紧凑、变倍比大、焦距长、分辨率高、成像质量良好等优点,可满足新一代红外成像系统的要求。     

扫描型长波红外连续变焦光学系统

基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器, 根据红外扫描成像系统原理, 设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图, 并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。该光学系统采用三次成像的结构, 由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成, 包含9片透镜和2片反射镜。为了降低校正色差成本, 系统使用了硫系玻璃镜片。光学仿真结果表明:系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35, 全视场畸变小于2%。最后, 对系统进行了成像实验验证, 结果表明:该系统可以实现30.8~154 mm范围内连续变焦, 变焦过程中目标景物清晰, 细节分辨率高, 无冷反射现象出现, 该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。     

应用动态光学理论求解变焦光学系统补偿组凸轮曲线

变焦镜头在校正像差的同时,还要求像面稳定,才能保证成像质量。采用机械补偿的方法,可以保证凸轮的准确性以使像面稳定,从而保证成像质量。首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式,从而得到像移补偿组的轨迹曲线。再根据推导得出的补偿曲线加工出凸轮机构,可对光学系统变焦带来的像移实现完全补偿。此外还给出三个变焦系统的设计实例,用来验证该方法的正确性和实用性。     

用于电子助视器的连续变焦光学系统

针对电子助视器的使用要求,设计并开发出一款变倍比达9.3的有限远共轭距连续变焦光学系统,给出了光学系统的结构数据与性能评价,包括调制传递函数、点列图和弥散斑直径,通过公差灵敏度分析和蒙特卡罗法对光学系统容差能力进行了研究。光学系统采用机械补偿方式,分前固定组、变倍组、补偿组和后固定组,共11片透镜,光学筒长76mm,前截距262mm,可以实现8.8～52mm的连续变焦,变焦轨迹平滑,整个变焦过程无渐晕,图像质量清晰稳定。     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。