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。     

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。     

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。     

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(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.     

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.     

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0CAD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.     

大口径长焦距变焦光学系统设计

为了实现大口径长焦距的变焦光学系统在光电跟踪设备的需求,通过对变焦原理的分析与计算,进而确定出合适的初始结构。通过分析比较,确定采用机械补偿变焦型来实现整个变焦系统。整个系统需要设计实现100 mm~600 mm的连续变焦,同时保证其F数不发生变化,同时由于孔径较大,且焦距变化范围比较长,因此设计难度比较大。通过优化设计得到结果,该系统的设计结果表明整个系统的总长达到了563.956 mm,F数基本保持不变,这样在实际的应用中该系统可以实现远距离的成像。系统在中长焦距时,其MTF值在30 lp/mm处都大于0.4,在短焦时性能略有下降,对于实际应用满足要求。     

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对新一代光电吊舱对轻小型长焦距高清红外变焦成像系统的迫切需求,采用分辨率为1280×1024、像元尺寸为15μm大面阵中波制冷红外探测器,设计了一款变倍比为48、焦距范围为25～1200 mm的中波红外连续变焦光学系统。为了实现小型化设计,采用二次成像、正组机械补偿、平滑换根、结合后组温阑切换变F数,以及光路巧妙折转的设计思路及方法,在保证100%冷阑效率的同时,实现了红外变焦系统的大变倍比与小型化设计。结果表明,该光学系统在-40℃～+60℃温度范围内具有良好的成像质量,且光学最大口径为230 mm,光学总长仅为350 mm,该系统具有结构紧凑、变倍比大、焦距长、分辨率高、成像质量良好等优点,可满足新一代红外成像系统的要求。     

基于联合变换相关器的远红外变焦光学系统设计

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力,且满足坦克瞄准镜的工作要求,针对1英寸红外CCD探测器,设计了8～12 μm 波段折射式长波红外连续变焦系统,该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为2,变倍比为4∶1,在50～200 m m 范围内可实现连续变焦,且变倍曲线和补偿曲线平滑,扩大了坦克瞄准镜的搜索范围,用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明,在17 lp mm空间频率处,全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上,接近衍射极限,像面稳定性良好,满足光学系统的设计要求.     

基于联合变换相关器的远红外变焦光学系统设计

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力,且满足坦克瞄准镜的工作要求,针对1英寸红外CCD探测器,设计了8～12 μm波段折射式长波红外连续变焦系统.该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为2,变倍比为4:1,在50～200 mm范围内可实现连续变焦,且变倍曲线和补偿曲线平滑,扩大了坦克瞄准镜的搜索范围.用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明,在17 lp/mm空间频率处,全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上,接近衍射极限,像面稳定性良好,满足光学系统的设计要求.     

减小连续变焦红外热像仪中光轴漂移的方法研究

为减小机械补偿式连续变焦热像仪在变焦过程中的光轴漂移,根据连续变焦原理,对系统初始参数进行反复优化,保证补偿组移动曲线的平滑度,并将变倍组与补偿组的凸轮曲线设计为非线性变化曲线,既保证了焦距变化的均匀性,又减小了因凸轮转动引起的光轴漂移。利用多项式及三角函数拟合出了不同视场角下的光轴漂移曲线,并利用动态软件补偿技术来弥补光轴漂移的系统误差。结果表明,处理后的光轴漂移量可以控制在一个CCD像元尺寸左右,且具有较强的鲁棒性,对同类变焦镜头的设计及使用具有一定的参考价值。     

光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计

根据光学补偿变焦距理论,基于红外中波制冷型320240焦平面探测器,设计了31光学补偿式红外步进变焦光学系统。该光学系统工作波长范围为3 m～5 m,光学系统的F#和探测器相匹配,恒定为4,冷屏效率100%,焦距范围430 mm~12.867 mm。采用3种光学材料和非球面对光学系统进行优化设计,对7个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射极限,获得了良好的像质。     

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.     

大相对孔径中波红外变焦系统的小型化设计

大相对孔径变焦系统在像差补偿自由度较少的光学补偿式变焦系统中,通常需采用较多的镜片才能完成像差校正,导致系统体积和质量不甚理想。通过合理分配变焦参数,优化变焦系统结构,并进行非球面与衍射面复合叠加设计,完成了一个仅含8片透镜的光学补偿式变焦系统。相对孔径1∶1.8,采用320像素240像素制冷焦平面探测器,工作波段3 m ~5 m,变倍比为5,实现了30 mm/60 mm/90 mm/150 mm四档变焦,冷光阑效率100％。折叠光路后,体积约为210 mm100 mm85 mm,结构紧凑,以较少的镜片数辅以机械结构的光学补偿变焦方式有效减轻了整机质量。     

40×大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。     

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。     

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。     

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。     

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。