双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力,解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光(0.38~0.76μm)、中红外(3~5μm)共口径连续共变焦光学系统,系统工作焦距为7.52~98.35mm,变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律,推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配,使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同,提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求,采用光学被动式完成双波段光学系统在-40~+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明,系统结构紧凑,反应速度快,整体成像质量良好,可实现昼夜全天候工作.     

紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，设计了一个30×连续变焦光学系统。介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路，不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况，还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变。实验结果表明:该系统工作波段3.7 μm~4.8 μm，可以实现18 mm~540 mm连续变焦，全焦距范围内的离焦量都在焦深以内，长焦段最大畸变接近于0，短焦段最大畸变小于3%。该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点，可用于红外光电探测和跟踪系统。     

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.     

大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计

基于中波红外320240制冷型探测器,采用机械正组补偿方式,引入衍射光学元件（DOE）,并采用折叠光路,实现大变倍比中波红外变焦光学系统的小型化设计。利用变焦原理和Zemax光学设计软件给出系统结构参数,并对设计结果进行像质评价,对凸轮曲线求解等。设计与分析结果表明:系统使用6片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了18 mm~360 mm连续变焦,满足100 %冷光阑匹配,在空间频率16 lp/mm处MTF值均大于0.5。该系统具有大变倍比、变焦轨迹平滑等特点,可应用于机载光电侦察设备中。     

50 mm～1 000 mm大变倍比变焦光学系统设计

为了满足机场跑道外来物光电探测系统对高像质、大变倍比、长焦距、小型化变焦镜头的需要,利用Zemax软件设计了一款50 mm～1 000 mm机械变焦镜头。该镜头采用机械补偿变焦结构,采用超低色散镜片来矫正变焦过程中引起的大色差问题,通过评价函数操作数对镜头的结构尺寸以及像质进行优化。通过优化设计,整个系统由28片球面透镜组成,系统总长小于400 mm,MTF在100 lp/mm条件下逼近衍射极限（MTF>0.2）,RMS弥散斑半径在中心视场条件下小于5 μm,场曲小于0.1 mm,畸变小于1%,绘制了变倍组与补偿组的运动变化曲线,曲线平滑没有断点。分析结果表明:该系统满足机场跑道外来物探测的实际应用需求,对于大变倍比变焦光学系统设计具有一定的参考意义。     

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。     

轻小型宽波段变焦物镜光学系统设计

为满足具有连续变焦和昼夜合一功能的光电瞄具的轻小型要求,采用前固定组为调焦组的四组三联动结构的物镜,通过视场、作用距离和CCD探测器相关参数确定所需焦距范围,使用高斯括弧法对四组三联动变焦结构进行高斯光学分析,通过调焦一次实现可见光波段到红外波段的转换。最终设计的光学系统的工作波段为0.48～0.68μm和0.80～0.90μm,调焦量仅为0.26 mm,光圈为F_5.0～F_6.5,变焦范围为25～250 mm,满足短焦探测和长焦识别距离不小于2 km的要求。此外,该物镜的光学总长为199 mm,最大通光孔径为58.1 mm,镜片总质量为203.6 g,满足系统轻小型需求,并且在不同工作波段下变焦全程成像质量良好,从公差分析结果可以看出所设计系统具有优良的可实现性。     

潜望镜连续变焦光学系统设计

基于潜望镜的基本原理, 设计了一种焦距252 mm~504 mm的连续变焦潜望镜光学系统, 该系统将传统的采用翻转变倍方体的跃式变倍方式改为沿轴向移动变倍镜组和补偿镜组实现连续变焦的方式。系统经仿真验证及像质分析证明, 各项性能指标均满足设计要求。测试结果表明, 光学系统空间分辨率小于2′。     

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。     

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。     

中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一套高变倍比中波红外连续变焦光学系统,用于机载光电探测和跟踪设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成。介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法;通过光学软件给出了系统结构及其参数,并对系统的像质和那喀索斯效应进行了分析。测试结果表明,系统实现了11~200 mm的连续变焦,变倍比为18×,F数为3,工作波段为3~5μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处的MTF值0.6;具有热灵敏度高、像质好、分辨率高等特点,满足了设计的要求。     

中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一套高变倍比中波红外连续变焦光学系统,用于机载光电探测和跟踪设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成。介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法;通过光学软件给出了系统结构及其参数,并对系统的像质和那喀索斯效应进行了分析。测试结果表明,系统实现了11~200 mm的连续变焦,变倍比为18×,F数为3,工作波段为3~5μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处的MTF值>0.6;具有热灵敏度高、像质好、分辨率高等特点,满足了设计的要求。     

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。     

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。     

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。     

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     

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。     

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。     

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。