连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化研究

连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化设计是镜头性能的重要影响因素.结合镜头中凸轮驱动结构形式及力学理论,分析了凸轮曲线的压力升角对系统传动力矩的影响;结合机械加工误差以及压力升角模型,提出凸轮曲线优化约束条件及优化原则;同时借助Gauss函数的平滑特性,实现凸轮曲线沿垂直于光轴方向非均匀展宽的优化方法,抑制凸轮曲线的最大升角.结合Gauss函数寻优处理对某光学设计获得的变焦凸轮曲线进行优化,在约束条件限制下保证曲线平滑性,凸轮曲线压力升角的范围由0°～39.01°优化到15° ～31.16°,最大升角降低了20.12％.结果表明,该方法能够有效地应用于凸轮变焦系统设计以提高系统的性能.     

一种连续变焦凸轮优化设计及试验验证

具备连续变焦功能是目前先进红外热像仪的重要特征之一,而变焦凸轮是驱动连续变焦光学系统中各镜组运动的关键部件。为了设计出良好性能的变焦凸轮结构,本文首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式得到像移补偿组的轨迹曲线,然后利用序列二次规划法（sequential quadratic programming, SQP）优化算法来减小动态光学曲线的压力角,结合光机设计理论运用Creo进行凸轮曲线生成及凸轮槽切除从而获得变焦凸轮结构。再基于有限元分析理论对凸轮结构进行分析,最终通过变焦系统运动及成像结果确认本文方法可行。     

红外连续变焦镜头凸轮曲线优化及运动学仿真

随着制造技术的发展,机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛。光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮,而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关。本文以某款红外连续变焦镜头为例,不改变凸轮外径和凸轮转角范围,对变倍组的运动规律进行优化设计,并通过ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真。仿真结果表明:该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角,消除变倍组等速运动时的刚性冲击。     

光学瞄准变焦系统的优化设计及其分析

针对一款2-6×24mm瞄准镜系统在变倍过程中出现视差的问题,基于高斯光学理论,利用CODEV软件进行仿真实验,发现在变倍过程中,像距变化较大是造成该问题的主要原因;基于变倍成像原理和机械变倍结构,应用仿真设计技术,提出了变倍组凸轮曲线的修正方法,给出了各镜片的修正参数和凸轮的修正曲线,优化了光学瞄准系统性能,解决了存在的视差问题;对比优化前后光学瞄准系统的调制传递函数、点扩散函数和线扩散函数,发现优化后波像差的RMS值均小于λ/4,成像质量很好,满足成像设计及实际生产的精度要求。     

紧凑型大变倍比红外光学系统设计

针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题,从变焦系统设计的基本理论出发,提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型,给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成,通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍;通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组,对前组焦距进行二级放大,扩大整个成像系统的变倍能力,同时,二次成像组还压缩了物镜口径,保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计,该系统工作波段为3.7~4.8 m,采用640480制冷型面阵探测器,像元大小15 m,F数恒定为4,可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92~58.2、达70倍的连续变焦功能,仅采用了两种材料,十片透镜,总长300 mm,具有优良的成像质量和公差特性。     

变焦距镜头的凸轮优化设计

变焦距镜头由于其固有特点而得到越来越广泛的应用，目前，连续变焦的变焦距镜头普遍采用机械补偿型光学结构，其中的特定光学透镜组通过凸轮的驱动沿光轴连续移动，从而实现连续变焦，其可变组元数大多为二组或更多。变焦凸轮的优化是这现变焦距镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的关键，军用变焦距镜头尤其应考虑其变焦运动的平滑性和变焦过程的快速性。简述某二可变组元机械补偿型变焦距镜头的凸轮优化方法，给出适合不同凸轮数据点数和二可变组无变焦距镜头光学设计使用的Macro-PLUS凸轮优化宏程序主体。     

基于ZEMAX软件的二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一环，曲线设计的好坏直接关系到系统最后像面的稳定程度。针对较普及的ZEMAX光学设计软件界面编写的二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。可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。提高变焦系统的设计效率和精度，对变焦系统的前期和后期设计有着积极的作用。     

微型无人机变焦摄像机设计

机载摄像机是微型无人机实施战术侦察的关键设备.文章突破传统机载摄像机采用定焦或基于DSP聚焦的思路,在特定飞行高度,提出变倍同步聚焦技术,并对变倍同步聚焦的基本原理、台阶拟合法等技术进行了研究,对镜头凸轮曲线进行了设计,并利用ZEMAX软件对凸轮曲线进行了拟合和优化,设计了相应的驱动控制电路和视频采集系统.飞行测试表明,设计的快速变倍同步聚焦摄像机的性能能够满足空中侦察要求.     

一种大气激光通信变f数跟踪光学系统设计

针对常用四象限探测器,设计了一种大气激光通信变f数跟踪光学系统,实现了8.7倍变倍比,连续变焦范围75~650 mm,固定通光孔径60 mm。对设计光学系统进行了评价,光学系统传递函数,点列图和畸变性能优良,满足系统要求。完成了系统凸轮曲线分析,结果表明系统变焦轨迹平滑,可以保证变焦过程系统同轴性。     

基于直线运动机构的大变倍比红外变焦成像系统

针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求,研制了一种大变倍比红外变焦成像系统,设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜,通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点,采用直线运动机构实现镜片变焦运动,使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析,所设计镜片最大位移为3.04×10^-3 mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器,变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明,系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好,验证了系统的连续变焦成像性能,该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。     

紧凑低成本非制冷长波红外连续变焦光学设计

随着红外技术的快速发展,SWaP-C (尺寸小、质量轻、功耗低、成本低)概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中,相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本,因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题,通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸;利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长;通过主动补偿的消热差技术使得系统在-40～+60℃温度范围成像质量良好,实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8～12μm,焦距变化范围为20.7～126 mm,对应F#为1.05～1.2,视场变化范围为21°×16.8°～3.5°×2.8°,变倍比为6.0×,最大物镜直径116 mm,光学系统总长180 mm,光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征,将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。     

连续变焦光机系统凸轮轮廓设计

介绍了光学连续变焦物镜的工作原理以及光路计算过程。对绘图法设计凸轮轮廓产生误差的原因进行了简单分析。利用Pro/E设计软件,对凸轮零件轮廓进行了三维详细设计,准确还原了连续变焦光学系统中变倍组和补偿组透镜的运动规律,提高了凸轮轮廓的设计精度。     

Simulation Design of Collimation Zoom Optical System Based on Laser Ranging

Laser ranging is a crucial issue for collimation zoom optical systems, in order to make sure the beam alignment adapt to the aperture, the spatial divergence angle of the laser beam should be improved. In this paper, a collimation zoom optical system was designed based on the principle of non-focal magnification collimation and direct beam expansion. The optimized operation function DMVA is input into the Zemax simulation system to control the image height, and the curvature, thickness and air space of each lens of the system are optimized to reach the index requirements. The results of the optical track simulation shows that the energy distribution is uniform and non-dispersive. The collimation zoom system, four-group telescope is used instead of the group telescope structure, which have simple structure, the design of cam curve ensure the boresight of optical axes meets the design index, that reduce the ranging error efficiently. The accuracy error of the instrument is less then 0.5 m when field ranging is 10 km.     

水下大视场连续变焦光学系统设计

针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64 μm,采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2 μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。     

基于光机集成分析的火情监察红外变焦镜头主动消热差设计

红外变焦监视镜头的F数与焦深相对较小,因此温度变化极易导致离焦现象,导致成像质量下降。本文针对火情监察红外变焦镜头在-40℃~50℃范围内成像清晰的技术要求,采用有限元法分析温度变化下各光学镜片前后镜面的刚体位移与旋转量,将刚体位移导入至Sigit光机集成分析软件中仿真出温度变化工况下镜头的离焦量,分析结果表明焦距值变量在-0.16~+0.4 mm之间,调焦量为0.108~0.188。针对上述情况,采用两个凸轮两套执行机构来分别控制变倍组和补偿组的移动,实现镜头的主动消热差保证温度变化下成像仍旧清晰。最终通过温度可靠性实验对镜头光学分辨率温度适应性的进行考核,实验结果表明在温度变化过程中空间分辨率均大于30 lp/mm,变焦过程成像质量基本清晰。     

用于160×120元非制冷热像仪的红外连续变焦镜头

文中设计了一种用于非制冷焦平面热像仪的连续变焦镜头,并在此基础上编制了用于计算两组元连续变焦凸轮曲线的程序,该程序基于光学设计软件Code V的Macro语言,它可以直观描绘凸轮曲线的形状,为凸轮的设计与加工提供参考。