切换变倍光学系统设计

切换变倍光学系统能实现系统两档/多档变倍,根据切换变倍光学系统特性,完成切换组元焦距与系统组元间隔、焦距、F数和系统变倍比之间关系理论研究,在窄视场子系统中旋转切入"负-正"搭配透镜组实现宽视场(短焦)子系统,同时要求该窄视场时,视场变换透镜组元不挡光。通过设计中波切换变倍光学系统实例,验证了所推导出的公式的可靠性。切换变倍系统能实现系统两档/三档变倍,且视场间切换时间快,窄视场子系统系统片数少、系统作用距离远,符合系统搜索跟踪一体化需求。     

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40~+50℃无热化设计。设计结果表明：光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。     

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。     

基于卡塞格林系统的红外制冷型长焦分档变倍光学系统的设计

本文基于卡塞格林系统设计了红外制冷型长焦分档变倍光学系统,计算、推导了光学初始参数及组元的光焦度分配。采用了二次成像结构形式,主物镜组采用R-C光学结构用于缩短筒长,使用投影镜组解决冷屏匹配问题,利用调焦镜实现调焦,通过切换投影镜组后组实现变倍,然后对光学系统像差进行了优化设计,分别给出了长焦系统和短焦系统不同视场的成像质量优化结果,0.8视场内光学传递函数在空间频率17 lp/mm时均大于0.4。最后对主要结构进行了相应的精度分析,结果表明该设计能够很好地满足工程实际需要。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8μm,能实现120mm/60mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8 μm,能实现120 mm/60 mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33 lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200 mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.     

6倍制冷型中红外连续变焦光学系统设计

提出了一种求解变焦方程的新方法,并针对中红外320×256元制冷型焦平面阵列探测器,设计了一个3.7～4.8 μm波段的透射式红外连续变焦距光学系统,其F数恒定为2,最小焦距值为22 mm,变倍比为6。系统由变焦物镜和二次成像系统构成,包括7片硅、锗透镜,并引入非球面以校正系统各种轴外像差,同时利用两个平面反射镜折叠光路以减小尺寸。在空间频率16 lp/mm处和全焦距范围内,系统各个视场的光学调制传递函数均大于0.55;在接收面为30 μm×30 μm的探测器敏感元内,能量集中度大于80%。因此该系统具有较好的成像质量。     

像方扫描技术研究

基于显微摄影的成像原理,研究了像方扫描以扩大视场的途径,并建立了一个二次成像的设计模型,包括一个大视场的固定前置物镜组和一个运动轨迹为球面的中继透镜组。物镜组所成的一次像面优化了场曲,中继透镜组则根据该场曲进行运动,对一次像面不同区域成像,并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径1∶3,波长3.7 m~4.8 m,焦距90 mm,瞬时凝视视场为4,扫描视场达24,采用7片透镜3个非球面,在全视场范围内具有接近衍射限的像质。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

紫外宽光谱大相对孔径光学系统设计

现有大部分紫外光学镜头的工作带宽较窄,紫外镜头的材料相对较少,镜头的紫外色差校正困难,导致其应用适应性降低。采用负正透镜交叠分布与类双高斯对称式结构形式,并利用熔石英材料和氟化钙材料本身的宽光谱透过性,设计了一种兼具大相对孔径、宽视场和高分辨率的紫外宽光谱光学系统。该系统的工作波长范围为240 nm～360 nm,紫外工作带宽高达120 nm,所有透镜均采用球面透镜,便于加工和检测。在全视场范围内,以中心波长300 nm为参考波长,系统横向色差最大值不超过1个像素,在截止频率50 lp·mm?1处的调制传递函数值优于0.4,并且各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于10 μm。设计结果表明:该紫外宽光谱光学系统的成像性能优良,分辨率高,色差小,满足设计要求。     

CCD摄像机大视场光学镜头的设计

为提高CCD摄像机的成像质量，同时使镜头结构紧凑、小型化，在大视场光学镜头的设计中，引入标准二次曲面和偶次非球面。根据初级像差理论，分析了非球面的位置、初始结构参数的求解规律。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化，给出工作波长为0.4～0.7μm、全视场角为80°，相对孔径为1∶1.5的镜头设计实例。该镜头由7块镜片组成，包括一个标准二次曲面和两个8次方非球面；在40lp/mm空间频率处的MTF值超过0.85，全视场畸变小于3％，像质优良     

高变倍比数码变焦镜头设计

为提高变焦距系统的工作性能,使其在大视场时仍具有良好的像质,且系统结构简单,易于机械设计、加工及装调,在设计中引入了传统球面光学设计与非球面相结合的设计思想。选择4个焦距位置进行设计计算,用光学设计软件ZEMAX上机调试,设计了焦距为6.9mm～91.6mm,视场5°～60°的变焦系统,整个系统由4组12片透镜组成,其中包括3个非球面,系统具有变倍比高、视场大等特点。设计结果表明：在设计中采用非球面可使系统结构紧凑,系统成像质量得到提高。     

Design and fabrication of fluid controlled dynamic optical lens system

A novel small fluid controlled optical lens system that is capable of displaying dynamic variation of its focal length and field-of-view (FOV) is designed and fabricated. In this active lens system, appropriate volume of the optical fluid can be pumped into or out of the lens chamber to provide double-convex (DCX) or double-concave (DCV) lens effect. Simple optical imaging experiments were performed using different sets of glass lenses with fixed focal lengths to determine the optimum lens configuration required for designing a dynamic optical lens system. The experimental results obtained from the glass lenses demonstrate that a combination of a single DCX lens with three DCV lenses provides a wider FOV. The flexible membranes for fluid controlled lenses were fabricated using polydimethylsiloxane polymer material, which has good optical transparency and elasticity. A simple fluid injection system is used to vary the radius of curvature of the lenses, and thereby to change the focal length. A dynamic optical lens system with a combination of one DCX and multiple variable focal length DCV lenses as designed here can image an object with a wide range of focal length and FOV. With this fluid controlled optical system, the FOV and focal length could be continuously varied and a maximum FOV of 118.3° could be achieved. The smallest f-number (f_/#) for this fluid controlled single lens system was found to be 1.3, which corresponds to the numerical aperture value of 0.35.     

混合仿生鱼眼-复眼的广角高清成像系统

基于多尺度成像理论,采用混合仿生鱼眼-复眼结构,实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜,收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上;次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列,对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能,后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°,全视场内角分辨率优于10″,而畸变小于5%;系统具有大景深特点,不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像,可广泛应用于侦查监控等领域。     

宽谱段大口径透射式摄影镜头设计

 设计了一种宽谱段大口径透射式摄影镜头,主要光学参数：焦距f′=200mm,口径D=160mm,视场角2ω=18°,光谱范围400μm～950μm。通过增加透镜个数,分裂厚透镜,选择具有相似色散特性的玻璃等方法将双高斯物镜复杂化,并且通过减小透镜通光口径消除部分边缘光线来改善像质。最终设计出的光学系统在空间频率30lp/mm时MTF 大于0.55,且各种像差都得到了很好地校正,像质均匀,满足宽谱段大口径摄影镜头的要求。     

宽光谱微光准直镜方案设计

介绍宽光谱大视场微光准直镜的光学设计和镜组结构方案,侧重叙述大视场微光准直镜的二级光谱校正方法。根据初级像差理论,由半部系统出发,给出了系统的初始结构。通过理论分析和ZEMAX光学设计软件的优化,结合工程应用给出了工作波长为（0.486～0.863）μm、全视场,相对孔径为1∶7.85的镜头设计实例,其二级光谱为0.01mm。该镜头由6块镜片组成,包括一个标准抛物面,在20lp/mm空间频率处MTF值超过0.8。准直镜的像差满足使用要求。     

基于自由曲面反射镜的低投射比超短焦投影物镜的光学设计

为了设计低投射比的超短焦投影物镜,本文采用自由曲面和折反式的光路结构设计了一种具有低投射比的超短焦投影物镜系统。该物镜由一个旋转对称的折射透镜组和一个自由曲面反射镜组成。采用11.938 mm的数字微镜器件(DMD)作为空间光调制器产生图像源。采用法线加权迭代优化的方法计算自由曲面。最后,分析了系统的性能。仿真结果表明:超短焦投影物镜可在580 mm的投影距离处实现3048 mm尺寸的大屏幕投影,系统的投射比低至0.19,系统的最大畸变小于0.72%。能够满足低投射比超短焦投影物镜的设计要求。该投影系统具有低投射比、低畸变、投影效果好等优点,可为超短焦投影系统的进一步发展提供有益参考。     

光学系统透镜热形变特性仿真研究

光学系统透镜组件在环境温度变化时发生的形变,特别是透镜的厚度、面形以及透镜间空间位置的变化,对系统成像质量有着不可忽视的影响。分析计算了某型导引头光学系统透镜组件在温度载荷下的形变特性。计算结果表明,当环境温度从20℃降低到-40℃时,透镜表面位移呈现出显著的梯度变化,7个透镜中表面的最大位移达0.05mm,透镜厚度的变化率超过0.05%,透镜间距离的最大变化率为3.46%。利用数据重构技术,计算结果可以作为透镜镜面形变分析的参考数据。