大倍率红外连续变焦系统双电机控制技术研究

采用双电机联动控制变倍组与补偿组的变焦方案替代传统的曲线套筒,实现了采用全透射式结构型式,相对口径为1/4,焦距变化范围为342.76 mm~13.15 mm连续变焦光学镜头的机械补偿式变焦。将变倍组设计成步进模式,作匀速运动,补偿组设计成位置跟踪模式,按凸轮曲线作变速运动,采用双电机全数字伺服控制凸轮（CAM）算法,将光学设计计算的变倍镜和补偿镜位置对应关系转变为对应的脉冲数输入到CAM表中,从而确定2个不同运动速度轴之间的位置对应关系。试验结果表明:双电机控制的变倍组和补偿组位置分辨率达到0.18 m,光轴一致性水平方向达到1.9,垂直方向达到1.3。     

多光轴渐进变焦眼镜设计

提出了一种多光轴渐进多焦点镜片设计方法,选取人眼观察使用的实际光瞳为眼镜通光口径内的小光瞳对应的元透镜设计。在子午面上,镜片视远点与视近点之间的光焦度由8次多项式确定。在光瞳面内,包含远视区和邻近视近区光瞳的光焦度分别取双曲线类型和抛物线类型分布。鉴于元透镜都是小像差系统,把元透镜看作是中心厚度已知的薄透镜,采用高斯光学方法设计面型,不必进行光路追迹和像差平衡。实验结果表明,多光轴渐进多焦点镜片屈光度和像散符合理论设计分布要求。为渐进多焦点镜片设计提供了一种新的途径。     

两档变焦测量电视光学系统的设计

基于切换式两档变焦光学装置,设计了一种焦距600ram／1200mm可变,靶面尺寸10．4mm×7．6mm,工作波段400nm～700nm,通光口径为136．6mm／170mm,最大畸变小于0．2％,传递函数值在空间频率60lp／mm处不低于209／5的光学系统,该系统经指标及像质测试、环境例行试验、实景成像试验的验证,系统各项技术指标均满足某军用测量设备的要求。     

补偿电视摄像机连续变焦中光轴偏移的一种新方法

针对光电侦察系统中电视摄像机在连续变焦过程中产生光轴线偏移问题,提出了采用曲线拟合电子动态补偿技术,运用软件编程方法较好地解决了电视摄像机连续变焦产生的光轴偏移。结果表明:该方法具有较好的鲁棒性,对设计类似的系统具有一定的指导意义。     

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。     

基于像差特征分析的变焦光学系统装调

提出了一种基于像差特征分析的变焦系统共轴性装调方法。针对某型20倍变焦光学系统的装调,在分析变焦光学系统装调要求的基础上,通过采用光学定心加工技术,提高变焦系统各镜组内光学元件的同轴度;采用Zygo干涉仪,检测变焦系统在长短焦位置的像差特性分布;借助CodeV软件仿真计算各光学元件在系统中的公差灵敏度分布,并确定产生像差影响的敏感光学元件;在中心偏测量仪上,完成最终光学系统像质的调整。此外,还设计了一种变焦光学系统各动组间同轴度调试装置,对变焦相机主镜筒机械内孔轴线与直线导轨的平行性进行了精确测量,保证了动组组元光轴的同轴精度。装调结果表明:变焦系统成像质量有明显改善,像面一致性得到保证,长短焦轴上传递函数值分别优于技术要求值0.45和0.55,长短焦轴外0.7视场传递函数值优于0.25和0.35,实现了高精度装调,验证了该方法的可靠性。     

一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统

依据高分辨率电视图像导引头瞬时视场和作用距离的要求,结合选定相机的光敏面尺寸等,计算并确定了光学系统的焦距范围,根据光学系统分辨率以及结构尺寸等要求,确定了光学系统的F数,选择机械补偿法、负组补偿的变焦结构,给出焦距分配过程,最后,给出了焦距为40 mm～152 mm、F数为3.5的连续变焦光学系统的设计结果。设计结果表明:在整个变焦过程中,光学系统的传递函数值在106 lp/mm处达到或接近0.4,像面稳定,像质良好。     

前置分划板连续变焦CCD瞄准镜光学设计

针对目前国内市场遥控武器站遥控枪塔的CCD瞄准镜不能在整个焦距范围内任意视场进行瞄准射击的问题,设计了一个前置分划板连续变焦CCD瞄准镜光学系统.它不同于一般的变焦系统,该系统采用补偿组线性运动,变倍组凸轮曲线运动的变焦方式来保证像面稳定.系统变焦比为5:1,在一定焦距范围内实现连续变焦,并且通过采用分划板前置的方式,...     

潜望式瞄准镜中消像旋棱镜的装调工艺技术

当潜望式光学系统中反射镜绕机械轴转动时,影像会在视场中绕光轴旋转严重影响观瞄。消像旋棱镜可以使像产生反向转动从而消除这种影响。从探索潜望式瞄准镜中消像旋棱镜的装调工艺出发,通过对2种常用消像旋棱镜在光学系统中对光线折转的分析,提出了其光机装调过程的判断依据,总结了2种消像旋棱镜应用的装调工艺方法,并提出了在平行光路中检测消像旋棱镜固定前后的分辨率以保证成像质量。经过多个项目的验证,此方法能有效降低消像旋棱镜的装调难度,装调后消像旋棱镜光轴与系统基准轴偏差控制在30以内。     

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。     

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。     

高变倍比变焦光学系统设计

设计了一套焦距f=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础,通过高斯光学计算,给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面,使系统具有更大的自由度,并有效校正光学系统中的像差,减小系统复杂度,对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱,减少了透镜片数,使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线,计算出变倍组和补偿组的变化曲线,可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律,而且曲线的变化比较平滑,能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.6以上。     

高变倍比红外变焦距光学系统设计

 采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了工作于8μm～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统,该系统具有大相对孔径,F数为1.2,变倍比10×,高成像质量等特点。系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差,在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。系统在空间频率17lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径17μm的探测器敏感元内,能量集中度大于72%,表明该系统具有良好的成像质量。     

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。     

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。     

超高倍变焦光学系统设计

设计了一套焦距f′=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像。采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题。在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面。设计结果表明,在奈奎斯特频率50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域。     

红外变焦投影光学系统的设计

根据外场测试要求,设计一套精确变焦的大口径投影光学系统,为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟,系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求,在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下,对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 m ~12 m,变倍比为16x,大口径投影光学系统口径为300 mm,模拟实验结果表明,该系统在变焦过程中像面稳定,各焦距位置MTF曲线接近衍射极限,满足外场测试实验要求。     

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。