用OZSAD软件实现复合式变焦凸轮曲线优化设计

变焦距光学系统凸轮曲线设计是保证光学系统变焦精确、平滑和驱动力均衡的关键。以2运动组元变焦系统的牛顿法变焦推导公式为依据，分析等间隔设计和等角距设计凸轮曲线方法的特点，结合EBA20X10光学镜头设计实例，探讨了结合2者优点实现复合式凸轮曲线优化设计的方法。文中等间距是指变倍透镜组沿光轴的移动量与凸轮转角呈线性关系，凸轮曲线沿圆周展开为直线；等角距是指系统焦距与凸轮转角呈线性关系。最后介绍了可实现3种凸轮曲线辅助设计的软件工具OZSAD V1.2。设计结果表明，该设计方法可以降低凸轮曲线压力角，减少总展开角及加工点对数，还可保证凸轮的设计精度。     

连续变焦距镜头结构设计及焦距实时输出分析

机械补偿式变焦距镜头以其自身的优点受到了广泛的关注和应用。介绍机械补偿式三组元连续变焦系统的基本工作原理及组成,根据实际使用要求,设计出保证变倍过程中变倍组和补偿组按一定函数规律运动的圆柱凸轮结构、导向机构及相应的加工工艺,从变倍运动方程和设计的变焦结构形式出发,分析变焦过程中焦距实时输出的实现方法和存在的问题,并提出相应的解决措施,对焦距值实时输出精度的提高以及变焦距镜头的设计和装调具有借鉴作用。     

二元变焦内窥镜光学系统设计

根据高斯光学原理,以液体透镜为核心元件,研究了无移动镜组变焦系统的设计方法。从医用内窥镜的使用要求出发,设计了一种二元变焦内窥镜系统。该系统可通过气压或液压控制液体透镜表面曲率变化,实现1.5倍变倍比,在1.8 mm和2.7 mm焦距下都获得了良好的成像质量。     

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′。     

变焦距镜头最佳像面位移的调整

通过移动变倍组和补偿组，在保证所要求的变焦倍率的同时，考虑高级像差对最佳像面的影响，调整各组之间的间隔，使之尽量符合各焦距最佳像面的位移变化，最终达到在各种焦距位置时对高斯像面的严格一致。     

ZFA等角距曲线的优化设计

变焦距系统镜组的轴向位移与倍率关系通常不是线性的,示值间距标记也是非均匀的。在光学检测和计量仪器的应用中,操作者很难准确地选择刻度标志之外的焦距值,尤其是在高倍段刻度密集的和非线性显著的地方更是如此。在有电机驱动的系统中,电机匀速转动带来的是倍率的非线性变化,很难在短时间内稳定到预定倍率的目标值。对含有像差因子的变焦函数进行变换后所编制的计算程序可以十分快捷地得到预定的设计结果。一个实际的光学系统往往偏离理想情况,为了达到最佳结果,可把像差因子补充到变焦距函数中,可借助变焦函数方程进行等角距变倍曲线的研究和设计,研究成果已应用到了产品的设计中,并取得了很好的效果。     

步进电机驱动的直线变倍成像系统研究

为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求,并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题,提高系统的响应速度和变焦精度,对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先,本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成,完成硬件平台的搭建,利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数,并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定,将标定结果载入聚焦算法。最后,完成系统的性能测试。测试结果显示,采用速度控制模型后,步进电机的定位误差显著降低,范围在0.010 mm以下,整个系统的变焦精度远远小于1%,而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。     

位移式许用扭矩传感器的设计与研究

许用扭矩是拧紧螺纹紧固件时可施加的最大扭矩值,它是保证螺纹连接安全可靠的重要参数;由于现有扭矩扳手需要人工依靠经验或理论计算来设定所需扭矩值,设计了一种通过自动识别螺栓规格并计算许用扭矩的位移式许用扭矩传感器;螺栓夹持装置开口大小的调整与电位器阻值调整通过齿轮相关联用于识别螺栓规格信息,单片机HT66F50采集电位器的模拟信号经模数转换为数字信号运算并处理,计算结果通过液晶显示模块LCD1602进行显示;通过数据拟合及公式推导建立许用扭矩计算理论,硬件采用技术成熟的集成模块,软件设计采用模块化思想,建立了传感器原理样机;测试结果表明,数据计算误差在允许范围内,能够快速准确地计算许用扭矩值,达到了设计要求。     

多组全动型变焦系统新型设计

为了寻找简单的多组全动型变焦系统的解算方法及降低全动型变焦距系统设计时对经验的过分依赖,提出了一种全新的方法来计算系统组元的光焦度分配。以组元之间的间隔为初始量,把组元的运动形式作为自由量,通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。该方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度,更重要的是,为探寻新的变焦运动方式提供了一种新的思路。在得到系统的光焦度分配之后又推导出一种求解系统组元移动曲线的简单方法。为了验证该方法的可行性,设计了一个四组式全动型变焦系统。所设计系统优化后的光焦度分配值和计算的结果都很接近,并且得到了组元的移动曲线,从而验证了该方法的正确性。     

空间相机调焦机构的设计与分析

设计了一种用于空间相机的调焦机构,该机构采用步进电机带动的精密步进谐波传动。波发生器由椭圆凸轮与套在其上的柔性轴承组成,输出端连接滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,带动调焦镜沿直线导轨往复运动,其中输出刚轮与绝对式编码器相连,检测调焦移动位移。该机构具有传动比大、精度高、结构紧凑、效率高、运转平稳等特点。针对该机构在空间相机的实际应用,推导出了调焦机构位移与焦面移动的位置关系,并对该调焦机构进行了误差分析,用闭环控制的方式对其精度进行了检测。试验数据表明,该调焦机构传动比为1：70,重复定位精度为2μm,满足空间相机使用要求。     

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。     

短焦段数字电影变焦放映镜头的设计

为了填补国内短焦段数字电影变焦放映镜头的空白及满足国内数字电影市场对大投射比镜头的需求,本文采用机械补偿式变焦原理,利用ZEMAX光学设计软件自主研发设计出一款适用于0.65英寸、单数字光处理器、1.3K数字电影放映机的短焦段连续变焦数字电影放映镜头.镜头包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组,由8组10片玻璃球面透镜组成,其中变倍组由一片负透镜构成,补偿组由两组双胶合透镜组构成.镜头总长170mm,全口径70mm,变焦范围为14.5～18.2mm,相对孔径为1/2,投射比范围为0.99∶1～1.23∶1,后工作距离为32.6mm.镜头凸轮曲线的设计采用等间隔变焦的方法,设计出了平滑稳定、斜率适宜、压力角小的凸轮曲线,具有加工方便、加工准确度高、变倍组升角容易控制且焦距变化均匀的优点.整个镜头结构简单、体形小、重量轻、成本低.     

用于精密测量的自动变焦系统及标校方法的研究

介绍了变焦距镜头在高速电视测量仪中用于精密测量的控制和标校方法.系统主要采用PC104系统核心模块,运动控制卡,以及步进电机来实现对变焦系统的精确控制,再加上对镜头的精确标校修正镜头自身的系统误差,从而使得基于变焦距镜头的高速电视在用于弹道测量中成为可能,大大提高了靶场测量准确度.     

变焦距投影光学系统中的远心光路设计

介绍了含有棱镜系统的数字光处理器（DLP）投影仪连续变焦距远心镜头的设计。通过对DLP投影镜头与数字微反射镜器件之间的全反射棱镜系统进行分析，发现采用像方远心光路设计方法，可使投影系统产生的杂光大大减少。进一步研究变焦距系统远心光路的结构特征，得出了使系统在整个变焦过程中都处于远心位置的光阑轴向位移方程。借助给光阑固联一个透镜（与补偿组共同补偿变倍组）所产生的像面移动，得到了变焦曲线平缓、光焦度分配均匀且成像质量较好的投影镜头。     

变焦系统凸轮曲线的优化设计

由于变焦系统凸轮曲线的的质量直接影响像质,因此从实际应用出发,以变焦方程和动态光学原理为依据,结合实际工作中需要设计的变焦镜头,通过对变焦系统高斯计算的过程进行分析,指出影响凸轮曲线的主要因素为变倍组和补偿组的焦距以及二者的间隔。针对3个参量之间的对应关系进行讨论,提出了优化凸轮曲线的方法。     

高速光电经纬仪变焦测量的测角精度分析

高速光电经纬仪的系统测角精度是一个复杂的函数关系,由多种因素决定.对一种采用了连续变焦镜头的高速光电经纬仪的测角精度进行了全面分析.首先对设备的测角总精度进行分类,并对变焦镜头在工作时产生的十字丝倾斜和所需要的焦距修正系数进行了深入的理论分析;然后通过实例和检测的情况分析了该设备的实时和事后的测角精度.为全面把握设备的...     

30 mm~300 mm轻型变焦物镜光学系统设计

设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统,焦距为30 mm ~ 300 mm, 视场角为1.1°~ 11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻质量,经过对变焦理论进行分析并结合实际情况,采用正组补偿,运用Zemax软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计,优化过程中加入非球面,达到简化结构,提高像质的作用; 在不影响像面照度的情况下,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小,同时对系统的部分透镜材料进行替换,平衡了高像质与轻质量间的矛盾,最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g,且系统像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用Matlab软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅。     

6 mm~60 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大口径百万像素变焦距光学成像镜头,采用0.85 cm(1/3英寸)CCD接收,像元大小为3.75 m。镜头在短焦、中焦、长焦的位置时F数分别为1.6、2.1和2.4。变焦系统采用四组元组合形式,与传统的变焦系统相比,该系统采用第4组元作为补偿组。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,系统均采用球面透镜进行设计。镜头轴上视场在133 lp/mm处大于0.3,轴外0.7视场在133 lp/mm处大于0.2,系统的最小后截距大于9 mm,满足装配要求。最后采用多点拟合绘制出此系统的变焦凸轮曲线。