Structural design of four-component optically compensated zoom lenses: Use of evolutionary programming

A new approach for ‘ab initio’ synthesis of thin lens structure of optically compensated zoom lenses is reported. This is accomplished by an implementation of evolutionary programming that explores the available configuration space formed by powers of individual components and inter-component separations to obtain globally or quasiglobally optimum solutions for the problem. Normalization of the variables is carried out to get an insight on the optimum structures. The method has been successfully used to get thin lens structures of optically compensated zoom lens systems by suitable formulation of merit function of optimization. Investigations have been carried out on four-component zoom lens structures. Illustrative numerical results are presented.     

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.     

Design of 20 mm~200 mm zoom objective lens for polarization imaging system北大核心CSCD

The zoom objective lens is an important part of the polarization imaging system. At present, the zoom objective lens on the market is relatively expensive due to the use of more aspheric surfaces. In order to reduce the processing cost of the polarization imaging system zoom objective lens, a 20 mm~200 mm zoom objective lens for polarization imaging system was designed. By using positive group compensation method and Zemax to optimize the zoom system, the final system used only 7 spherical lenses to achieve good image quality. The modulation transfer function (MTF) is greater than 0.3 at 120 lp/mm, the distortion is less than 4%, and the cam curve of the system is smooth without breakpoints. The system tolerance analysis results show that the tolerance range is set as follows: the aperture tolerance of the lens surface is 2, the thickness tolerance of the lens or air center is ±0.02 mm, the inclination tolerance of the lens surface center is ±0.025°, the lens assembly and adjustment tolerance is ± 0.025 mm, and the lens refractive index deviation is 0.002. The tolerance setting conforms to the component processing and system assembly and adjustment process, which has a certain reference value to reduce the cost of polarization imaging system. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

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。     

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。     

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。     

用矩阵方法设计变焦镜头

传统上，在设计变焦距镜头时都要利用高斯光学求解变焦距的各组元焦距、组间隔。与传统方法不同的是，该文利用矩阵光学理论，建立变焦距镜头的光线传输矩阵，并以此矩阵建立非线性方程组，然后用数学软件对其求解，得到各组元的焦距、组间隔等参数。最后以设计一个普通的摄像物镜为例，演示了矩阵光学在设计变焦距镜头中的应用。     

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。     

多组元全动型变焦距透镜高斯光学参数的求解方法

在求解多组元全动型变焦距透镜高斯光学参数的过程中，不再区分变倍组与补偿组的概念，统一将变焦距系统运动组元的移动距离和焦距作为变量，并将组元的F数作为约束条件，提出了一种能同时求解多组元全动型变焦距系统在每个变焦位置高斯光学参数的计算方法，并给出了设计实例，证明了算法的可行性，提高了光学系统设计的智能化程度。     

Integrated fluidic adaptive zoom lens

An integrated fluidic adaptive zoom lens is demonstrated for what is believed to be the first time. A zoom lens was fabricated using an UV lithographic-galvanic-like process involving soft lithography and wafer bonding. The zooming capability of such a lens was achieved by varying the focal length instead of the distance between the lenses. A zoom ratio of greater than 2 was obtained for devices that are 8 mm thick and have a 20-mm lens diameter. Including the 30-mm image distance, the total physical length of the fluidic zoom lens was less than 43 mm. More-compact systems with a higher zoom ratio can be obtained by reduction of the aperture size.     

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。     

电场作用下的变焦非球面液滴微透镜

提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并在线检测其光学性能的新方法。在实时进行光学检测的条件下,选择光固化材料,利用电场作用操控液滴透镜的面形实现变焦,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可制作具有良好光学成像和聚焦性能的非球面微透镜。研制了紫外光固化非球面液滴微透镜制作平台及在线检测系统,实验观察并讨论了液滴透镜面形和聚焦光斑随电场作用的变化规律,成功实现了液滴透镜的变焦,并获得了良好的非球面面形和聚焦光斑,证明了用此方法制作高成像性能的非球面微透镜的可行性。     

远焦小型线性变焦距物镜的设计原理

介绍远焦小型变焦距物镜的设计原理及方法。合理选取物镜的光学参数使变焦距物镜小型化 ;选取透镜的玻璃材料校正物镜的色差 ;采用适应法光学自动设计程序进行像差平衡 ,提高变焦距物镜的像质。所设计的变焦距物镜适用于多种医用内窥镜图像显示系统 ,其像质可与高分辨率的CCD图像传感器匹配。     

水下变焦镜头的设计

通过对光在水中传播特性的分析，讨论水下摄影中需要特殊考虑的关键因素，如光能衰减、镜头视场损失和内腔防水等，分析普通相机加隔水窗后在水中拍摄时像质变差的规律。为了适应深水探测，获得清晰成像质量，基于光焦度分配公式，提出了水下变焦镜头设计思想。用实例说明水下镜头的设计方法，设计的镜头相对孔径为F/1.6。设计结果表明：该镜头克服了普通镜头水下使用像质变差和最大视场渐晕等缺点。     

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.     

数字全息变焦系统的研究及应用

从4f系统及照像机变焦镜头的设计思想出发,提出并设计了一个由三面透镜组成的数字全息变焦系统.该系统具有4f系统的性能,且可以方便地改变横向放大率,适应实际检测物体尺寸及形状的变化.用几何光学表述了变焦系统的工作原理,基于矩阵光学理论介绍了变焦系统的设计方法,利用衍射的角谱理论对像空间波面重构计算方法进行了介绍.并且,给出了实验证明及应用实例.     

Superiority of zoom lens coupling in designing a novel X-ray image detector

We design a novel X-ray image detector by lens coupling a Gd2O2S:Tb intensifying screen with a high performance low-light-level (L3,which often means luminescence less than 10-3 Lux) image intensifier.Different coupling effects on imaging performance between zoom lens and fix-focus lens are analyzed theoretically.In experiment,for designing a detector of 15-inch visual field,the system coupled by zoom lens is of 12.25-1p/cm resolution,while the one with fix-focus lens is 10 lp/cm.The superiority of zoom lens is validated.It is concluded that zoom lens preserves the image information better than fix-focus lens and improves the imaging system's performance in this design,which is referential to the design of other optical imaging systems.     

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。     

LCoS背投光学引擎中变焦投影物镜设计

设计出变焦投影物镜，能满足相同光学引擎、相同屏幕位置下不同屏幕尺寸的需要。考虑到所设计的系统为大相对孔径、中等视场和小变焦比，从变焦理论出发，采用正组补偿的机械补偿法，对变倍组进行合理的倍率选段，求出了高斯解；然后分组元选用合理的初始结构，利用ZEMAX光学设计软件进行优化设计，解决了变焦系统畸变难以控制的问题，并使用调制传递函数对整个系统进行了综合评价。设计结果表明：该变焦投影物镜系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求，能应用于101.6～177.8cm的大屏幕电视。