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。     

变焦凸轮曲线的优化设计方法

变焦凸轮是变焦镜头中驱动各个镜组运动的关键部件,凸轮曲线的设计结果决定了变焦系统的运动性能、系统精度以及系统成像等方面的特性,因此,变焦凸轮的设计是变焦距镜头设计中重要环节之一,优良的凸轮性能是实现镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的基本要求。为了设计出优良的曲线形态以确保凸轮具有较小的压力角,使变焦过程平滑稳定、运动流畅,既能有效减小变焦系统的驱动力矩,又可以确保变焦成像的稳定性。在凸轮设计过程中,分别构造凸轮变倍组和补偿组驱动力矩与各自压力角的函数表达式,再以它们的函数组合构造整体目标优化函数,优化计算变倍曲线压力角与补偿曲线压力角的最优值,优化计算结果表明,优化后凸轮等效驱动力矩显著减小,能够有效改善变焦凸轮的整体性能。     

机载新颖连续变焦中波红外光学系统设计

针对制冷式640×512元凝视焦平面阵列探测器,设计了结构紧凑的高性能机械补偿30倍连续变焦光学系统.该系统采用新颖的三组元变倍形式和三次成像方法设计.工作波段为3.7 ~ 4.8 μm,F/# =4,变焦范围750 ~25 mm.首先利用光学设计软件给出了系统的光学外形结构图; 然后,进行了像质评价分析,变焦曲线分析,温度环境适应性分析和冷反射分析; 最后,介绍了该系统应用微扫描成像技术提高分辨率的方法.结果表明,该光学系统在空间频率30 lp/mm处的光学传递函数 ( MTF) 值均接近衍射极限, 弥散斑直径的均方根 ( RMS) 值均小于15 μm.变焦曲线平滑,且移动组最大行程小于71 mm.移动组透镜的轴向移动可完成系统调焦及温度补偿.光学系统满足100 %冷光阑效率,在-40 ~60 ℃温度范围内均有良好的像质.同时,满足新一代机载前视红外( FLIR)系统的要求.     

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。     

微形貌观测镜变焦系统的设计

提出的微型变倍微形貌观测镜光学系统是以微型内窥观测系统作为整个系统的前固定组、以变倍组和补偿组构成双组元全动型变倍系统,以CCD作为固定像平面的观测系统。利用高斯光学计算公式建立了系统的数学模型,计算了变焦透镜组的运动曲线。选定了该系统初始结构,进行了像差优化计算,给出了像差曲线和最终的设计数据,符合像差要求。该系统具有3种应用形式,整个系统是连续变倍内窥式微形貌观测镜,其前固定组是内窥式微形貌观测镜,其变倍系统是连续变倍微形貌观测镜。变焦范围6×～16×,分辨最小细节可达2.5μm左右。     

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。     

三组联动长波连续变焦红外光学系统

介绍了一种采用机械补偿三组元联动结构形式设计的紧凑型长波红外连续变焦光学系统。针对阵列规模1024×768,像元尺寸12μm的非制冷长波红外探测器,设计了焦距25～150mm,F1.4的长波红外连续变焦光学镜头,其光学总长155mm,结构长度132.7mm,在-40～+60℃温度范围内采用系统内调焦镜组进行补偿,适用于小型化的吊舱、手持型红外设备以及类似场景下的应用。     

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。     

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。     

基于ZEMAX的二维变焦扩束光学系统设计

针对板条激光器出射光束的尺寸控制问题,设计了一个在X方向扩束倍率为14~20×,Y方向扩束倍率为1.25~1.55×的二维连续变焦扩束光学系统。通过对三组元变焦系统的分析,在理论上推导出固定组、变倍组以及补偿组之间的运动轨迹。利用ZEMAX对理论值进行优化,使系统像差满足使用要求。该系统工作波长为1064 nm,可将尺寸在一定范围内的出射光束扩束整形至35~40 mm。该系统具有结构简单、变焦行程短以及变焦曲线平滑等优点。     

长工作距的3D变倍外视镜光学系统设计

针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题,提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案,其中单条光路由前后两组变焦系统组成,前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构,其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行;后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构,其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变,组合而成的整体光学系统共有三个运动组元,通过三组联动的形式可达到变倍效果,该方案类比于筒长无限的显微镜,中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件,并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程,依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS,优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×,3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围,仿真结果表明,六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上,变倍凸轮曲线平滑无拐点,可满足显微外科手术要求。     

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。     

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。     

自由曲面变焦的内调焦式光学系统设计

具有调焦功能的光学系统在空间探测领域中有着重要的应用需求。设计了一种基于自由曲面垂轴偏移的内调焦光学系统,该系统中采用特殊自由曲面面型结构,构建自由曲面透镜组,利用垂轴偏移的变焦特性,改善光学系统的成像位置,提升在空间环境多样性和宽物距成像的适应性能力。具体分析了自由曲面透镜组的调焦原理,并成功将自由曲面透镜组应用到焦距为100 mm的光学系统中,分析像距扰动和物距变化两种情况下的成像质量和偏移量。结果表明,光学系统的调制传递函数在奈奎斯特频率处大于0.3,满足成像要求,该系统具有成像性能稳定和微米量级补偿量等特点。     

高清晰大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

随着红外热成像系统的不断发展,对红外光学系统也提出了更高的要求。为了满足红外探测器在军事方面的广泛应用,整机系统对高性能、大变倍的红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针对高端中波制冷型640512 凝视焦平面探测器,设计了结构紧凑、性能优良的高清晰大变倍比机械补偿连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.7耀4.8m,F 数为4,变倍比为35:1,变焦范围为15~550mm。该系统运用平滑换根理论,实现了超大变倍比的连续变焦光学系统设计,并且采用二次成像以及45反射镜对光路进行U 型折叠,在实现了冷屏效率100%的同时有效控制了该系统的横向和径向尺寸。采用光学设计软件CODE V 进行了仿真计算和像质评价,并绘制了该系统的变焦曲线。设计结果表明,该连续变焦光学系统具有分辨率高、变倍比大、结构紧凑、在全焦距范围内成像质量优良并且变焦轨迹平滑等优点,能够与高性能中波红外探测器匹配用于高端红外热成像系统。     

大口径折反式三组元连续变焦距光学系统设计

采用一种新的结构形式对口径1.2 m、焦距2~6 m、相对孔径1/1.67~1/5的可见/近红外波段连续变焦距望远镜进行了设计。为适应目前地基大口径望远镜总体结构形式的需要,前端主系统采用Cassegrain反射式结构,后端采用三组元机械补偿变倍形式,使结构更加简洁。在高斯光学计算、像差分析基础上对各组元初始结构选择,并进行整体优化。设计结果各项性能指标均满足要求,且结构紧凑、补偿曲线平滑,表明这种结构形式是大口径连续变焦距望远镜一种较好的光学解决方案。