液体透镜在变焦系统中的应用

利用液体透镜进行变焦系统设计可以大幅降低系统的复杂程度,本文介绍和讨论了该项技术的研究和应用现状。首先,基于液体透镜的分类即渐变折射率透镜和变曲率透镜介绍了几种主要液体透镜的原理和特点,给出了具有代表性的ARCTIC透镜系列和Optotune透镜系列的设计参数和优点。然后,对液体透镜技术在变焦系统中的应用进行了分析,描述了其在变焦眼镜、手机相机、内窥镜和显微镜等诸多领域中应用的现状和优势。最后,利用液体透镜设计了一种长焦距变焦系统,该系统可实现2.5倍的可见光变焦。     

液体透镜变焦系统高斯理论分析

基于液体透镜的变焦系统不需要移动光组即能实现变倍的功能,这种变倍工作方式可应用于具有特定需求的成像系统,近年来备受关注。探讨了液体透镜参数(变焦范围,通光口径)对变焦系统变焦性能的影响,从理论上得到了液体透镜变焦系统最大变倍比以及最大视场角的计算公式。根据理论计算的结构,求得该结构下液体透镜变焦系统的变焦曲线表达式。从变焦曲线可知,系统从短焦向长焦方向变化时,系统变倍比增长速度越快,系统焦距变化越灵敏。利用上海理工大学研发的液体透镜进行仿真,设计了一款变倍比为6,全视场角为60°的液体透镜变焦系统高斯结构。该设计不仅验证了理论推导的正确性,也可作为实际液体透镜变焦系统的初始结构。     

液体变焦技术的发展与展望

介绍一种非移动式变焦技术一液体变焦技术。对国内外液体变焦技术的科研成果进行了归纳和总结,介绍了液体变焦透镜的基本原理及实现形式,分析了液体透镜的优异性能及其对光学领域的影响。根据液体变焦技术的发展现状和工程应用情况,指出液体变焦技术目前的研究重点主要应放在如何克服温度场和重力场对液体透镜性能的影响等机理研究,液体透镜的离轴系统和非对称系统的设计以及加速液体透镜的产品化等工作上。     

基于谐衍射的液体透镜变焦系统设计

设计了一套基于谐衍射的液体透镜变焦系统。系统对可见光波段成像,视场角2ω为150°,焦距f′为20～120mm,可实现6~X变焦。采用两片液体透镜,利用电润湿原理,无需改变透镜间距,只需调整施加于之上的电压即可实现变焦,同时引入一个谐衍射面来校正大视场所引入的色差。系统的调制传递函数曲线在奈奎斯特频率60lp/mm时,短焦高于0.7,长焦高于0.6,成像质量很好。系统的设计既保证了成像的高清晰度,又减小了系统体积,可广泛应用于内窥镜和智能手机等微型变焦系统领域。     

可调焦胶囊内窥镜光学系统设计

为解决胶囊内窥镜分辨率与景深相互制约的问题,将一种单液体、电控、可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计,在保证分辨率的同时,扩大了系统景深.采用CODE V软件进行设计,建立系统初始结构,构造液体透镜模型,基于液体透镜中液体的体积不变,曲率、孔径和厚度可变的结构约束特点,在MATLAB中计算出不同物距下透镜的曲率、孔径和厚度数据,将其导入CODE V的系统模型中,并提出了相应的优化流程.设计并优化带有液体透镜的胶囊内窥镜系统,实现了系统在3~100mm景深范围内的清晰成像,视场角大于110°,全视场范围内调制传递函数在40lp/mm频率下均大于0.3.     

双液体变焦透镜变焦迟滞现象的研究

通过引入接触线摩擦力,建立了基于双液体变焦透镜内壁的液液固三相系统接触线的力学物理模型,重新对非理想状态下液液固三相系统接触线进行了受力分析.在此基础上,对杨氏方程进行了改进,合理地解释了双液体变焦透镜的变焦迟滞现象.通过对疏水介电层厚度为2 μm的双液体变焦透镜进行加电压变焦实验,给出了双液体透镜的焦距与电压之间的迟...     

二元变焦内窥镜光学系统设计

根据高斯光学原理,以液体透镜为核心元件,研究了无移动镜组变焦系统的设计方法。从医用内窥镜的使用要求出发,设计了一种二元变焦内窥镜系统。该系统可通过气压或液压控制液体透镜表面曲率变化,实现1.5倍变倍比,在1.8 mm和2.7 mm焦距下都获得了良好的成像质量。     

大变倍比液体透镜变焦系统设计

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论,将各组元焦距作为变量,列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程,得到符合条件的初始结构;再利用优化设计软件进行像差平衡,设计了一个具有4片液体透镜,焦距为20~120mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66lp/mm处均大于0.3,畸变小于2%,满足设计要求.     

电湿效应变焦光学系统的设计与分析

与传统的通过电机调节透镜相对位置达到变焦目的设计完全不同,提出了一种设计无机械运动变焦光学系统的新方法.利用亥姆霍兹自由能最小化方法推导出适合双液体变焦透镜的杨氏方程,将以气液固三相系统为基础的传统杨式方程扩展到了液液固三相系统.以圆柱结构的双液体变焦透镜为组分设计了一种新型的变焦光学系统,分析了系统在外加电压作用下使焦距变化的同时又能保持像面不变时必须满足的条件.模拟结果表明该系统的变倍比大约可达到1:1.5.     

连续变焦微型液体柱透镜系统的设计与制备

设计并制备了一种具有较大变倍比及较高成像质量的充液式连续变焦微型柱透镜系统。该系统由埋入聚二甲基硅氧烷基片的两片对称弯月柱透镜及一片双凸柱透镜构成：两弯月柱透镜边缘位置胶合形成空腔,改变注入其中的液体折射率,可实现柱透镜系统的连续变焦;双凸柱透镜的优化设计可控制柱透镜系统整个变焦范围内的像差。当柱透镜系统中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时,可实现系统后焦距由52.292～4.972 mm的连续平滑变化。整个变焦范围内,柱透镜系统径向弥散斑均方根半径始终小于5μm,接近衍射极限。对柱透镜系统的可能公差进行了详细分析,证实了该设计的可行性,并完成了透镜系统的加工制备及后焦距、调制传递函数曲线的测量。该变焦系统具有变倍比高、体积小、结构简单稳定、成像质量高等优势,可用于集成化的微型设备中。     

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。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

38×变倍比宽波段电视镜头光学系统设计

 针对大视场高变倍比宽波段光学系统的特点,运用换根方式机械补偿光学系统设计技术和h hp图及孔径图分析法,实现了38×变倍比,解决了大视场宽波段系统的初、高级像差难以平衡的难题,同时提出运用凸轮程序公式编程计算不齐焦段的补偿组实际位移量,对Code V的凸轮曲线设计值进行修正的方法,保证了高变倍比光学系统的齐焦性。     

小型化多视场电视摄像系统光机设计研究

针对目前军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的搜索范围和作用距离不断提高的需求特点,通过对成熟电视摄像系统的分析比较,明确了采用小型化固定焦距多视场的结构形式。基于该研究方向,提出一种采用嵌入组合式的前物镜组的光机结构设计思路,可实现固定焦距多视场电视摄像系统小型化的设计方案。通过光学设计、光机一体化设计,最终设计完成了一种光学变倍超过20倍、光轴稳定、四视场共用2个成像器件的四视场电视摄像系统,可满足现有军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的需求。     

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。     

大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

水下变焦镜头的设计

通过对光在水中传播特性的分析，讨论水下摄影中需要特殊考虑的关键因素，如光能衰减、镜头视场损失和内腔防水等，分析普通相机加隔水窗后在水中拍摄时像质变差的规律。为了适应深水探测，获得清晰成像质量，基于光焦度分配公式，提出了水下变焦镜头设计思想。用实例说明水下镜头的设计方法，设计的镜头相对孔径为F/1.6。设计结果表明：该镜头克服了普通镜头水下使用像质变差和最大视场渐晕等缺点。     

10倍全球面红外变焦光学系统设计

针对320240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 m~4.8 m的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内,成像质量满足设计要求。