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。     

长焦距超高倍率变焦距光学系统设计

为设计一套焦距17～1 700mm的长焦距、超高倍率变焦距光学系统,首先在合理选择初始结构基础上,通过比较高斯光学计算结果找出高斯解对系统性能的影响规律,从而确定系统的关键参量;然后通过分析各组元相对孔径和像差特点选定结构形式,并进行系统像差的校正和优化.设计结果系统光学总长760mm,各焦距位置全视场50lp/mm处MTF>0.3,各项指标满足系统要求.     

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。     

航空变焦距镜头被动消热设计

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响,设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NXNastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析,利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析,分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03mm。利用泽尼克系数作为数据接口,将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入,仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比,消热设计前镜头在78lp/mm处传递函数值减小约0.2,传递函数值下降了50%,而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。     

长焦距变焦镜头的温度分析及补偿

为了提高长焦距变焦镜头的温度稳定性,分析了温度对光学系统的影响。在CODE V里对长焦距变焦镜头光学系统进行温度仿真分析,发现温度对光学系统的像质影响很大。采用无热化技术成熟的主动调焦式补偿方式对光学系统的温度效应进行补偿,发现采取补偿后像质有很大改善,但在相机的最大空间频率处的MTF还是较低,且变焦系统各焦距时的最佳像面并不能齐焦。采用机械被动式补偿和主动调焦式补偿混合的方式进行温度补偿,使得变焦系统在要求的全温度范围内有良好的像质,短焦时MTF大于0.5,长焦时的MTF大于0.25,并且焦距也得到补偿,各焦距时的最佳像面齐焦并与CCD的像面位置重合。     

连续变焦镜头焦距输出结构的设计

根据光学设计中变倍组与补偿组的移动量与系统焦距的关系,设计了一种在变焦距镜头连续变焦时能准确输出焦距值的结构。该结构由蜗轮蜗杆驱动,以直线位移传感器为反馈元件,采用一个连接杆将直线位移传感器与变焦镜组进行固定连接来保证镜组的移动量直接反馈为位移传感器的电压值。与传统的通过齿轮传动将焦距变化反馈到旋转电位器的结构相比,该结构消除了由齿轮传动的空回、凸轮带动钉的间隙以及电位器的误差值等带来的影响。精度分析表明,采用这种高精度的直线位移传感器,加在其上的电压的变化可直接换算成焦距的变化,因此提高了焦距输出的精度。     

20倍双组联动变焦距光学系统设计

针对双组联动变焦距系统结构复杂的特点,对其设计过程进行了梳理。在此基础上编制了可视化辅助设计软件,该软件具有高斯解计算、变倍补偿曲线绘制、像差与外形尺寸分析、相对孔径图输出等功能。使用该软件可以方便地完成双组联动变焦系统高斯解的合理选择,并给出各组元承担相对孔径及其变化情况,辅助进行初始结构的确定。利用该辅助设计软件,对一套焦距25~500 mm的20倍可见光波段双组联动连续变焦距系统进行了初始结构设计,并通过整体优化使系统像差得到校正。设计结果系统光学总长478 mm,各焦距位置在50 lp/mm处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.6,边缘视场MTF大于0.4,各项指标满足系统要求。     

焦距仪用五档变倍镜头设计

目前的焦距仪为了增大测量范围,会配备一组测量镜头。在测量不同范围焦距时需要进行更换,过程繁杂,影响工作效率。解决这一问题,设计一个五档变倍的测量镜头,通过了变焦与变物距两个方法实现变倍,用档位之间的切换代替目前的更换测量镜头提升工作效率。设计完成后,放大率变化为8.0~0.16X,物距变化为20~1000mm,测量范围:(-1000mm,-5mm)U(5mm,1000mm)。通过ZEMAX模拟仿真实验表明:设计得光学系统测量范围大,各个变倍位置成像质量良好,MTF曲线接近衍射极限,可以替代原有的测量镜头组。     

变焦距系统设计的快速求解

变焦距光学系统已经在各种光学仪器上获得了广泛的应用,一些新的设计思想也层出不穷.本文介绍的变焦距系统设计的快速求解方法可以贯穿到变焦距镜头设计的全过程,还可以应用到光学系统的初始求解、设计过程中的抽样计算、设计数据的校对和审核、结构设计中驱动凸轮曲线的求解、外观设计等.本文列举的计算实例说明,这种快速求解对完成一项设计具有很多方便.     

变距测径仪的光学系统设计

介绍一种新型测径光学系统,其变焦距物镜镜头使物距可变,而成像倍率不变。这是一种中等距离测径仪器,其工作距离为400～680mm,对应的测径范围为φ90～φ150mm,测径精度可达0.2～0.02mm。     

基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统设计

设计了一种基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统,焦距为70-800mm,11．4倍连续变焦。该系统采用二次成像技术,具有100％冷光阑效率,公差分配合理,没有冷反射和鬼像。在空间频率16lp／mm处,所有焦段的MTF值均大于0．5。采用衍射元件,提高了光学系统的像质,减小了光学系统的体积和重量,采用凸轮变焦,光机结构紧凑、重量轻。     

高倍率高分辨变焦距镜头设计

介绍在变焦距镜头设计中采用的两种方法:等效光阑法和P~∞,W~∞逐次逼近法。最后给出设计结果。     

中波红外变焦距系统的光学设计

由于红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强，能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察和红外制导等方面。近年来，随着红外光学技术的长足发展及其实际应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。本文介绍了一种采用凝视型焦平面阵列探测器的中波红外变焦光学系统的设计，该系统利用了反射镜的折叠光路，其工作波长范围为3～5μm，变倍比为20∶1。最后用CODE V光学设计软件对其像质进行了评价。     

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。     

变焦距镜头高斯光学设计的新方法

突破了对像面漂移量的有理函数计算传统，考虑到组元运动曲线的间断性，给出了变焦距镜头高斯光学全新的最优化设计方法，供助于切比雪夫多项式，做到了任意组元联合直线运行的光学补偿，以及实现了简便的和有效的任意组元任意变焦方式的机械补偿。     

变焦距镜头

变焦距镜头由变倍系统和中继透镜系统构成。从物方算起,变倍系统由三个组份组成:第一组份为具有正光焦度的聚焦组;第二组份为具有负光焦度的变倍组,它可沿光轴运动使系统的焦距发生变化;第三组份为具有负光焦度的补偿组,它使随变倍组运动而移动的像面保持在预定的位置上。中继透镜系统由前、后两部分构成,即具有正光焦度的第四组份和第五组份。第四组份有三个正透镜组元,其中至少中间组元是一胶合透镜,其胶合面凸向像方。第五组份有一正胶合透镜,其胶合面凸向物方。     

变焦距镜头初始结构智能化设计方法

给出一个智能化专家系统,实现了对变焦距镜头初始结构参数的自动设计,包括对任一变焦方式的高斯光学参数的计算,以及对各组元结构参数的自动生成和优化.     

短焦距变焦物镜设计

介绍了机械补偿式三组元连续变焦系统设计方法;基于微分解析法,提出快速变焦法用于优化系统高斯初始结构,减小了外形尺寸.并设计了一焦距3.87 mm～19.35 mm,视场76.6°～17.71°可见光变系统.设计结果表明：该变焦系统较之同类专利设计结果,具有结构紧凑、视场大、像面稳定度高的优点.     

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。     

可变焦距机器视觉镜头光学系统设计

在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数,采用机械补偿形式,利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。该系统工作距离可以在290 mm～340 mm范围内变化,实现了焦距从10 mm～100 mm的10倍多焦点变焦。设计结果表明:该变焦物镜最大畸变小于1%,最大兼容0.84 cm(1/3英寸)CCD图像传感器。用调制传递函数对系统的成像性能进行评估,该系统在空间频率100 lp/mm处调制传递函数大于0.3,满足成像要求。