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。     

中波红外连续变焦机构设计分析

红外系统对目标进行搜索与探测时,对连续变焦光学系统的需求日益增强,其中一个措施就是改变两个或两个以上透镜在光学系统中的位置,从而改变光学系统的焦距。根据某中波红外光学系统的设计特点,对连续变焦机构的导向机构和凸轮机构进行了详细分析,给出了设计要点和设计结果。试验结果表明:该机构运行平稳、可靠、精度高,光学系统的成像质量高。     

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.     

长波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320×256焦平面阵列探测器,设计了一套用于机载光电探测设备的长波连续变焦红外光学系统。光学系统采用锗和硒化锌两种普通红外光学材料,通过引入非球面和衍射面很好地校正了系统的色差和轴外像差,使得系统整个连续变焦过程中16 lp／mm 处 MTF 均大于0．35。系统仅由6片镜子构成,工作波段为7．7～10．3μm,F 数为3,满足100％冷光阑效率,实现了50～400 mm 的连续变焦,变焦曲线光滑。像质评价结果表明该系统成像质量良好,结构紧凑。     

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。     

20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计

一款长波红外热像仪具有20:1的变倍比,采用机械补偿变焦方式实现热像仪18.5~367 mm范围内的连续变焦.本文对热像仪的连续变焦机构进行了设计.为保证光轴偏差满足要求,变焦机构内部的直线性和平行度、变焦机构与系统光轴间的平行度需进行精确调节.同时,通过调用温度补偿信息表可实现不同温度条件下的温度补偿和快速变焦,使热像仪具有较宽的温度范围.     

紧凑中波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320×240凝视焦平面探测器,设计了一个仅有6片透镜的紧凑中波红外连续变焦系统.该系统由机械补偿变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成,可实现27.5～458 mm连续变焦,满足100%冷光阑效率.设计结果表明,该系统具有透过率高、变倍比大、分辨率高、体积小、像质高等优点.     

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.     

红外中波连续变焦光学系统的设计

设计了红外连续变焦光学系统,该系统具有镜片少、透过率高、连续变焦倍率大、波段广、相对孔径大等突出特点.二元面和非球面的引入,使系统在不同变焦结构时14 lp/mm处的MTF均大于0.6,很好地校正了系统的色差和轴外像差.该系统在仅使用4片镜片的情况下,实现了8倍连续变焦,系统透过率高于80%.结果表明该变焦系统具有良好的成像质量.     

中波红外连续变焦光学系统设计

针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器,探讨了红外连续变焦系统的设计方法,并在考虑红外吊舱使用要求的基础上,设计了结构紧凑、质量轻便的机械补偿5~×连续变焦光学系统.该系统工作波段3～5μm,F~#为2.0,变焦范围30～150mm,变焦轨迹短而平滑,且在全焦距范围内成像质量良好.系统由7片透镜组成,采用二次成像结构,在实现冷光阑效率100%的同时缩小了系统径向尺寸.     

长波红外连续变焦光学系统设计

针对320×240制冷型焦平面阵列探测器,根据机载红外搜索和跟踪系统使用要求,设计了一套高变倍比长波红外连续变焦光学系统。探讨了长波红外连续变焦设计方法,并对变焦系统的无热化和冷反射效应进行了分析。系统由变焦物镜系统、二次成像系统和一个反射镜构成,具有100%冷光阑效率。工作波段为8.7～11.7μm,F#为2.0,变焦范围30～300 mm,工作温度-30～50℃,在空间频率16 lp/mm处,全焦距范围和温度范围内MTF>0.45,接近衍射极限。具有像质好、分辨率高、结构紧凑、质量轻便等优点。     

45倍中波红外连续变焦光学系统

红外连续变焦光学系统具有很多优势,介绍了一种可以实现高变焦比的设计方法.据此设计了一个系统,其由八片透镜组成,工作波段为3.7~4.8μm,可实现10~450 mm连续变焦.系统在全焦距范围内奈奎斯特频率处的MTF值均大于0.3,系统F数为4,且满足冷光阑效率100%的要求.     

一种新的红外连续变焦系统无热化设计方法

针对红外连续变焦系统受温度影响导致变焦曲线变化、调焦补偿复杂等问题,分析了温度变化时系统各组件的相互关系,提出一种新的无热化方法,通过变倍组和补偿组的局部无热化设计,使系统仅通过变倍组和补偿组的线性平移就能对温度影响进行补偿,变焦曲线不需改变,降低了调焦机构的控制难度。采用该方法设计了12倍中波红外连续变焦系统,通过局部无热化设计,仅通过一组变焦曲线以及随温度的线性平移,实现在25~300 mm焦距范围、-45~50 ℃的全温度范围在30 lp/mm的MTF在0.3左右,接近衍射极限水平。具有连续变焦、高变倍比、变焦曲线无热化、分辨率高、结构简单、控制系统简化等优点。     

一种红外连续变焦光学系统步进电机控制技术

基于红外连续变焦光学系统镜片控制精度的需要,本文从实时性、准确性等方面分析和研究了一种红外连续变焦光学系统中步进电机的加减速控制技术和螺母间隙误差补偿技术。实验结果表明,该连续变焦控制技术有效地提高了红外连续变焦光学系统光学变倍的实时性和准确性。     

大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320240凝视焦平面阵列探测器,设计了大口径离轴折反式中波红外连续变焦光学焦系统。系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距范围250～2 000 mm,F数为4。光学系统分离轴无光焦度系统和透射式连续变焦系统两部分设计,匹配对接后优化。解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能做到大口径、共轴折反式连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反不能做到100%冷光阑效率的缺陷。满足100%冷光阑效率,在空间频率16 lp/mm处系统的MTF值大于0.5,具有像质好,分辨率高等特点,满足设计要求。     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

空基跟踪平台变焦镜头光机热集成分析

针对空基光电跟踪平台可见光变焦镜头进行光机结构设计及光机热集成分析。依据跟踪镜头-20~50 ℃的温度适应性指标要求,对变焦镜头进行光机集成分析。首先,建立了变焦镜头的有限元模型。其次,采用Patran软件对光机系施加温度载荷计算镜头的热弹性变形,利用Nastran软件计算个各光学元件镜面节点变形后的点云刚体位移。最后,采用 Sigfit光机接口软件分析温度载荷工况下各光学组件镜面Zernike系数,将分析结果导入Zemax中考核镜片面型变化以及刚体位移变化对MTF的影响。分析结果表明:在-20~50 ℃的温度载荷下,光学系统全视场的MTF @100 lp/mm值均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验对变焦镜头的温度适应能力以及光机集成分析准确性进行实验。     

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对中波制冷型640512凝视焦平面探测器,设计了一个大变倍比中波红外连续变焦光学系统。该系统采用三次成像技术,其工作波段为3.7~4.8 m,F数为4,变倍比为30:1,可实现23~701 mm连续变焦,变焦轨迹平滑,满足100%冷光阑效率。该系统采用硅、锗和硒化锌三种红外材料,通过引入非球面和衍射面来校正系统的轴外像差和高级像差。系统在30 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.15以上,接近衍射极限。设计结果表明,大变倍比中波红外连续变焦光学系统具有变倍比大、分辨率高、结构紧凑、像质好等优点。     

长波红外连续变焦光学系统的设计

红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标的优点,在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察以及红外制导等方面。近年来,随着红外光学技术的长足发展,对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针对320×256凝视型焦平面阵列探测器,设计了长波红外连续变焦光学系统。其工作波长范围为8～12μm,F数为2.5,变倍比为10:1。并用光学设计软件CODE V进行了仿真计算和像质评价,系统在空间频率16 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数在0.35以上,接近衍射极限。设计结果表明,长波连续变焦红外光学系统具有变倍比大、分辨率高、体积小、像质好等特点,可应用于众多光电探测领域。