基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂（RC）结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450～850 nm的光谱范围内,焦距为700～3 500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1 400～3 500 mm,F数为5～12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。     

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。     

高变倍比连续变焦体视显微镜物镜设计

为了实现体视显微镜物镜的大变倍比连续变焦,同时尽量避免使用非球面以及衍射元件,采用双组联动型变倍补偿形式,设计了大变倍比连续变焦距体视显微镜物镜系统。该系统实现0.8~16倍的20倍连续变焦,系统工作距离达到91 mm,后工作距离达到200 mm,双组联动型结构不仅实现了大变倍比,同时保证系统结构尽量简单。设计结果表明:双组联动型变倍补偿形式对实现大变倍比以及简化结构是有利的。通过对系统成像质量以及凸轮拟合曲线进行分析,系统组元移动曲线光滑,成像质量达到要求。     

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     

20×非制冷型红外变焦光学系统设计

针对长波用160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统.该系统具有相对孔径大,F数为1.1,变倍比高,变焦凸轮曲线平滑等特点.系统使用锗和硫化锌两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,在中焦时采用平滑换根提高了变倍比,通过对凸轮曲线的优化设计,有效地控制了变焦过程中光轴漂移.系统在空间频率为17lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5μm的探测器敏感元内,能量集中度大于78%,表明该系统具有良好的成像质量.     

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。     

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.     

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。     

三组元变焦目镜的光学设计及其凸轮曲线的绘制

阐述了现代变焦距目镜的特点及其设计方法,给出了一种三倍变焦目镜设计的结构形式.这种变焦目镜结构紧凑,成像质量优异,可以取代传统的二倍变焦目镜,是一种有应用价值的变焦目镜形式.该设计将目镜的出瞳作为变量,使入瞳位置保持稳定以衔接物镜出瞳,并最终得到了一个8.24～24.1mm的变焦目镜.采用一种新型的方法绘制了凸轮曲线图...     

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。     

高变倍比中波制冷型连续变焦光学系统设计

采用机械补偿法变焦型式,建立两组元连续变焦光学系统模型,在该模型的制导下,针对中波640×512、像素尺寸15 μm制冷型焦平面阵列探测器,设计了一款立体布局的高变倍比连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.5 μm~4.8 μm,焦距范围覆盖30 mm~500 mm,工作温度范围覆盖-40℃~+60℃,变焦过程中F数恒定为4,系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对系统冷反射进行了详细分析,对凸轮曲线进行优化设计。设计结果表明:该系统在0.8视场内,全温度范围的光学调制传递函数在33 lp/mm处大于0.25,在25 lp/mm处大于0.4;全视场公差作用下系统传递函数在33 lp/mm处大于0.13。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,环境适应性好等优点。     

校靶镜检定装置光学系统设计

根据校靶镜的检定需求,在传统检定装置的基础上,研究了一种新型的校靶镜检定装置,可针对不同口径的校靶镜进行检定,扩展了检定范围。运用ZEMAX软件设计可调焦平行光管,可在焦距500~1 000mm范围内实现连续变焦。设计过程中对可调焦平行光管结构进行分析,在0.707带对F光和C光校正了色差,获得了较好的像质。同时运用MATLAB软件拟合该变焦距光学系统的凸轮曲线。所设计的可调焦平行光管其光学传递函数在截止频率为33lp/mm时可达到0.3~0.5,成像质量良好,符合使用要求。     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26～34 mm,视场角为36.2°～28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2％以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求,通过采用复合变焦光学系统结构,增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器,设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统, 光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成,通过引入衍射光学元件校正长焦端色差,工作波段为8 μm~12 μm,焦距变化范围为-9 mm~-272.25 mm,F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。     

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.     

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...     

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。     

6 mm~60 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大口径百万像素变焦距光学成像镜头,采用0.85 cm(1/3英寸)CCD接收,像元大小为3.75 m。镜头在短焦、中焦、长焦的位置时F数分别为1.6、2.1和2.4。变焦系统采用四组元组合形式,与传统的变焦系统相比,该系统采用第4组元作为补偿组。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,系统均采用球面透镜进行设计。镜头轴上视场在133 lp/mm处大于0.3,轴外0.7视场在133 lp/mm处大于0.2,系统的最小后截距大于9 mm,满足装配要求。最后采用多点拟合绘制出此系统的变焦凸轮曲线。     

30 mm~300 mm轻型变焦物镜光学系统设计

设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统,焦距为30 mm ~ 300 mm, 视场角为1.1°~ 11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻质量,经过对变焦理论进行分析并结合实际情况,采用正组补偿,运用Zemax软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计,优化过程中加入非球面,达到简化结构,提高像质的作用; 在不影响像面照度的情况下,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小,同时对系统的部分透镜材料进行替换,平衡了高像质与轻质量间的矛盾,最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g,且系统像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用Matlab软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅。     

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。