小型连续变焦相机的结构实现

介绍了一种小型大变倍比变焦相机的主要技术参数,以及采用的变焦方法;详细描述了相机的组成结构,其中变倍和补偿透镜组通过滑架在主体内滑动,其运动轨迹取决于导钉在凸轮曲线槽内的运动状态;阐述了加工和装调过程中为保证相机设计质量而采取的精度保证措施,凸轮曲线槽与滚子的配合间隙应控制在6~9 μm,确保主体的刚度和圆柱度,变倍和补偿滑架在主体内滑动时的返回空回误差<2″,滑架直径D与滑架长度L之间的比值≥1。经高低温和振动试验后检测结果表明：在50 lp/mm空间频率下,相机光学传递函数>0.2,相机外景成像清晰,层次分明。     

机载轻小型中波红外连续变焦系统设计

针对制冷型320256凝视焦平面阵列探测器,设计了一套4倍中波红外连续变焦光学系统,用于轻型机载光电探测和跟踪吊舱设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和2个反射镜构成,为了避免非球面的加工及检测误差影响,本系统只使用球面。设计结果表明,系统实现了37.5 mm～150 mm的连续变焦,工作波长范围为3.7 m～4.8 m,F数为4,满足100%冷光阑效率,系统在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处,所有焦距位置和视场的MTF均大于0.55,接近系统的衍射极限。该变焦系统总长280 mm,质量仅为110 g,具有体积小、质量轻、分辨率高、变焦轨迹简单等优点。     

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（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。     

三十倍连续变焦系统凸轮曲线结构优化设计

以某三十倍连续变焦镜头为例,研究了改变曲线压力角的方法。以压力角为目标函数,将凸轮曲线转角构造为分段函数对转角重新划分,压力角过大位置分配较大转角,压缩压力角较小处的转角,从而降低曲线整体压力角,并可有效抑制曲线中较大拐点。利用Matlab进行仿真计算,对比多种转角分配取值的优化结果,得到相对优化的凸轮曲线。优化结果使得曲线最大压力角值由原始的76.9°降低为41.9°。经试验验证,利用该方法优化完的变焦镜头成像质量良好,光轴跳动不大于3个像素,光轴稳定性不大于1个像素。     

PW法对连续变焦光学系统初始结构的求解

介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。在物像交换原则的基础上对光学系统的各组件进行光焦度分配和间距的选择得到变焦系统的结构形式。通过改变PW值的大小以及正负选择最佳的玻璃组合,消像差以及计算透镜的形状。利用PW初始结构求解法设计得到了焦距为50 mm~20 mm的中波红外变焦系统,该系统包括5片透镜以及2个非球面,结构简单并且满足100%冷阑匹配。最终得到光能透过率高,成像质量好的连续变焦光学系统,可以满足实际应用需求。因此,PW初试结构求解法在连续变焦光学系统设计中具有一定的借鉴意义。     

25倍中红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320pixel×240pixel凝视焦平面阵列探测器,设计了一个25倍中红外连续变焦光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成。变焦系统由两个子变焦系统串联而成,可以实现高变焦比;二次成像系统的作用是压缩物镜口径和实现冷光阑效率的要求。该中波红外连续变焦系统光学系统的工作波段位于3.7～4.8μm,可以实现12～300mm连续变焦,F数达到2.5,满足100%冷光阑效率的要求。该系统具有变焦比大、相对孔径大、变焦行程短和变焦轨迹平滑等优点。     

连续变焦大气相干长度测量系统设计

望远镜在大气光学参数测量中起到至关重要的作用,测量方法是通过跟踪恒星或者信标实时测量数据。基于不同速度信标的移动特点,需要设计3 m~6 m变焦大气相干长度测量系统用于大气相干长度的测量,设计波段为可见光486 nm~656 nm,探测元全视场11 mm,入瞳直径300 mm。利用光学设计软件设计出一款折返式变焦望远系统,光学结构由卡式望远系统和三组元机械补偿式连续变焦系统组成,系统结构简单,成本低,凸轮曲线平滑,压力升角均小于45。系统可对变焦焦距数据实时输出,适合于快速和慢速不同场合下实时进行大气参数测量。     

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。     

一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统

依据高分辨率电视图像导引头瞬时视场和作用距离的要求,结合选定相机的光敏面尺寸等,计算并确定了光学系统的焦距范围,根据光学系统分辨率以及结构尺寸等要求,确定了光学系统的F数,选择机械补偿法、负组补偿的变焦结构,给出焦距分配过程,最后,给出了焦距为40 mm～152 mm、F数为3.5的连续变焦光学系统的设计结果。设计结果表明:在整个变焦过程中,光学系统的传递函数值在106 lp/mm处达到或接近0.4,像面稳定,像质良好。     

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。     

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。     

摄影测量中CCD相机精度对比方法研究

数字摄影测量在逆向工程和三维检测方面具有广泛应用。对摄影测量中CCD相机的测量精度进行探讨,提出一种基于数理统计的计算方法。通过相机拍摄多组照片,在XJTUDP软件下计算相同条件的编码点或非编码点之间的距离,得出其平均值,将测得的每组单个数值减去平均值,可获得每次测量的个体误差。求个体误差与平均值的比值的绝对值,可得出单组数组的测量精度。对测量精度求平均值,得出标准精度的概念。将标准精度作为衡量CCD相机测量精度的指标。结合试验数据,应用本方法对Cannon400D定焦相机和变焦相机进行较详细的分析,为定焦和变焦相机的选取提供依据。     

80倍中波红外连续变焦光学系统设计

基于复合式变焦系统结构,提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下,针对中波制冷型15μm、640×512的凝视型焦平面探测器,设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8μm,F数为4,利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740mm,变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料,共八片透镜,利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠,在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析,从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明,该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.     

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。     

变焦扩束系统的光学设计

利用几何光学理论,详细分析变焦扩束系统的两,工结合实例,指出在进行光学设计时选取参数的依据。     

新型折反射式连续变焦系统设计

针对长焦距、折反射式连续变焦望远系统的设计,提出了一种新的光学结构形式.该结构形式将可变光阑放置于球面主反射镜附近,避免了在变焦部分中使用浮动的可变光阑;然后利用二次成像结构和场镜减小变焦组元的径向尺寸,系统变焦部分仅包含变倍组与补偿组,无需前固定组与后固定组,同时无需使用特种光学材料校正二级光谱,极大降低了系统变焦部...     

Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量方法

Bayer滤波型彩色相机广泛应用于航天遥感、空间对地观测、环境监测等领域.由于Bayer滤波片造成彩色相机相比黑白相机在像质方面进一步退化,如何对Bayer滤波型彩色相机成像性能全频段综合评价是目前亟待解决的问题.调制传递函数(MTF)是相机成像性能综合评价的关键指标,传统调制传递函数测量方法无法实现对Bayer滤波型彩色相机MTF全频段高精度测量.为了解决这个问题,本文提出了一种采用旋转刀口靶测量彩色相机调制传递函数的方法.理论方面,推导了Bayer滤波型彩色相机调制传递函数测量理论模型,仿真分析了刃函数采样率和刀口刃边倾斜角度误差对调制传递函数测量精度的影响,并给出了计算算法.实验方面,对彩色相机R,G,B三基色调制传递函数权重因子进行了实验定标,并搭建了基于条纹板和旋转刀口靶的彩色相机调制传递函数测量试验装置.采用旋转刀口靶法和条纹靶板法测量彩色相机MTF结果在耐奎斯特频率f_c处极差为0.061,在空间频率f_c/2处极差为0.043,试验结果验证了所提方法的有效性.     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。