光学系统、成像与分析

TH703 2004064028 遗传算法在变焦曲线优化中的应用=Application of ge- netic algorithm in optimization of cam curve in zoom systems[刊,中]/刘传胜(北京理工大学信息科学技术学院.北京(100081)),李林…∥光学技术.—2004,30(3).—270-272 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     

变焦曲线拟合方法的比较与研究

在机械补偿变焦距光学系统中,通过利用变焦曲线控制变倍组与补偿组的移动来达到变焦目的.因此,为使变焦距光学系统在变焦过程中能够始终成像清晰且稳定,拟合出良好的变焦曲线是十分必要的.本文运用动态光学理论、CODE V和ZEMAX宏三种方法分别对一个20倍变焦距光学系统进行变焦曲线拟合,得到相应的运动曲线方程.根据所得到的三组曲线方程,随机选取若干变焦位置点,分别对这些位置点的光学系统离焦量、中心视场MTF和边缘视场MTF进行评价.数据分析表明,动态光学理论拟合出的变焦曲线在满足系统要求前提下更能够保证像面的稳定性.     

基于ZEMAX软件的三组元变焦系统凸轮曲线设计程序

变焦系统凸轮曲线设计是变焦系统后期设计过程中十分重要的环节,曲线设计的好坏直接关系到系统像面的稳定程度.针对ZEMAX光学设计软件界面编写了三组元变焦系统凸轮曲线设计程序,确保像面稳定、像质优良.程序可准确给出凸轮曲线的数据和形状,借助该程序对变焦系统任意焦距位置的光学性能和像差特性进行实时评估,提高了变焦系统的设计效...     

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。     

基于B样条与遗传算法的翼型优化实验研究

翼型升阻比和水轮机空化系数是水轮机叶片翼型的重要指标,以NACA63A-614翼型为研究对象,基于B样条曲线对翼型曲线进行参数化构造,得到拟合精度较高的翼型曲线。以升阻比和水轮机空化系数作为优化目标,利用多目标遗传算法和XFOIL软件展开多工况优化设计。对优化后的翼型与原始翼型在多攻角工况范围内进行动力学特性分析,同时将优化前后翼型建模并进行空化实验。分析实验结果表明,优化后的翼型其升阻比和空化性能均得到明显提升,从而验证了该方法的可行性与准确性。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

飞行模拟器目标显示变焦距系统设计

介绍了飞行模拟器的原理及方案。讨论了飞行模拟器中目标显示变焦距成像系统的光学设计方案。探讨了垂轴放大率时的变焦距系统的特性 ,在垂轴放大率时变倍组和补偿组的共轭距均处于极值 ,在此处补偿组进行平滑换根 ,使补偿组位移曲线的上半段与下半段平滑相连 ,可以让补偿组也为整个系统变倍作出贡献 ,使得凸轮导程缩短 ,达到减小系统外形尺寸的目的。利用阻尼最小二乘法拟合出整个变焦过程中系统最佳像面的位置曲线 ,并按此设计凸轮曲线 ,即可保证系统在整个变焦过程中成像质量均处于最佳状态。成功地将上述思路应用于飞行模拟器变焦距成像系统中 ,取得了很好的效果     

基于基线交换的光学变焦驱动设计

常用的两运动组元等间距光学变焦驱动设计方法和等程距设计方法都存在曲线局部压力角难以控制的问题。论述一种基于基线交换的光学变焦驱动设计方法,该方法通过在合适的变焦曲线位置交换基线(主驱动曲线),从而解决曲线局部压力角(曲线在光轴方向切角的余角)控制的问题,保证了整个变焦过程中的主驱动曲线压力角一致性、扭矩力均匀性和变焦平滑性,同时不降低变焦过程的快速性。讨论了辅助程序设计的实现情况和实践中出现的问题的解决途径。理论和实践证明,这种变焦驱动设计方法是一种效果颇佳的设计优化手段。     

Optimum design of cam curve of zoom system based on Zemax

Cam curve design is an indispensable step for a zoom system design. A novel method of designing cam curve based on Zemax is presented in this article. By utilizing Zemax programming language (ZPL) to create a program, which can accurately produce the data and shape of a cam curve, and obtain the curve fitting equation of the cam curve by using least squares method. Meanwhile, the program can figure out the continuous change of MTF during the whole zooming process, which helps us to evaluate the optical performance and imaging characters at any focal length for a zoom system. It can improve the efficiency and accuracy of a zoom system design, which has significant value for engineering application.     

多动型变焦距物镜设计

变焦距光学系统在校正像差的同时还必须满足像面稳定的要求,补偿或消除由于光学系统中各组元的运动所造成的像相对接收器的偏移。利用动态光学稳像原理,推导变焦距光学系统的稳像方程,建立变焦距光学系统的数学模型,设计光学系统的凸轮曲线。给出了变焦距物镜的动态分析过程,利用光学设计软件CODE V最终得到了一个变倍倍率为8.15×,焦距范围为27 mm~220 mm的变焦距物镜,光学系统F#数为固定值4.2,视场为4.12°~33.56°。给出了凸轮曲线的计算方法及CODE V成像质量分析结果和MTF等。     

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。     

透雾连续变焦镜头的小型化设计

根据探测设备电视通道要求实现普通彩色和透雾黑白两种模式观察并小型化的特点,运用最速变焦路线凸轮曲线的设计及凸轮曲线平滑性优化的方法实现了小型化设计;采用可见光加近红外波段并在全波段范围内进行像质评价的方法,即根据外形尺寸计算中所求出的每个透镜组的光焦度和通光口径,参考现有结构,选定每组透镜的结构形式,缩放成要求的焦距以后组合成全系统进行像差校正,这样既可实现普通彩色和透雾黑白两种模式的观察,又保证了系统的齐焦性.系统通过了像质检测、实景成像的验证及环境应力筛选及环境例行试验的考查,并成功地用于探测设备.     

变焦距镜头凸轮曲线形式的选择

在变焦镜头设计的最后阶段需要进行凸轮曲线的设计,为了平衡成像倍率变化的均匀性与凸轮转角,需要选择合适的凸轮曲线形式,要求建立成像倍率M与凸轮转角θ之间的某种函数关系。根据凸轮曲线所要满足的实际边界条件和函数连续性,建立M与θ几种常见的函数关系,利用Matlab对设计实例进行仿真。结果表明:建立的成像倍率M和凸轮转角θ的幂函数关系及压力升角都不超过允许值时,变倍倍率变化均衡性最好,倍率变化曲线平滑,且无凸轮拐点。该方法可以方便设计人员针对不同设计要求改变凸轮曲线形状,找到最佳变倍凸轮曲线。     

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。