大相对孔径红外变焦距光学系统设计

设计了工作在8~12μm波段的非致冷红外连续变焦光学系统。该系统由4组元5片透镜组成,其中前固定组、变倍组和补偿组均只有1片透镜,后固定组为两片。焦距50~200mm,相对孔径较大,为1∶1。设计过程中编写了适用于二组元变焦系统的ZEMAX宏程序,该程序可给出凸轮曲线的数据和形状,同时使像面位置不受限于高斯光学关系,能够满足某些焦距位置离焦的要求。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF值均在0.4以上。     

非球面在小变倍比变焦距光学系统设计中的应用

为了提高变焦系统的性能,使其拥有良好的像质,简化系统结构,方便机械加工、装调,在小变倍比变焦距光学系统设计过程中引入了非球面设计。利用光学设计软件ZEMAX对系统在长、中、短3个焦距位置进行优化设计,由此得到了一焦距15.6196～23.4084mm,视场±10.29°～±7°的变焦系统,系统由4组6片透镜组成,其中包括1个非球面。该系统具有结构简单紧凑、成像质量较好等特点。     

四片式变焦距长波红外光学系统设计

针对320×240焦平面阵列探测器（像元大小25μm×25μm）,设计了一个变倍比为3倍的长波红外连续变焦光学系统,其工作波段为8~12μm,从短焦到长焦位置的F数从0.98到0.85逐渐减小,可实现焦距在45~135mm范围内连续变焦。该系统由4组元组成,每个组元仅有一片透镜;共8个面,其中5个为非球面、1个为衍射面。使用ZEMAX光学设计软件进行像质评价和优化后,在空间频率20lp/mm处,系统在整个变焦范围内MTF接近衍射极限。     

像方远心的消色差变焦物镜设计

针对掩膜板式成像光谱仪前置变焦物镜展开研究,深入研究其像方远心物镜系统的消色差设计。采用最小偏向角法求解消色差方程,并以编程的方式简化了筛选玻璃组合的过程,分别对变焦系统的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组进行筛选玻璃组合,大大的提高了初始结构选取的效率。设计完成的消色差变焦物镜焦距为49.3～148 mm,工作波长为400～1 000 nm,F数为4.3,在加入分光棱镜的情况下,二级光谱均小于0.045 mm,其中长焦下共像点的二级光谱可以达到0.006 mm,并且实现像方远心,在66 lp/mm处的调制传递函数值均大于0.5,接近衍射极限,像质良好,畸变小于1%。满足了成像光谱仪前置物镜的宽光谱消色差、像方远心、变焦等要求。     

基于目标探测光学补偿红外变焦系统设计

为提高联合变换相关器的探测能力,针对2/3英寸红外CCD探测器,设计了一种红外光学补偿变焦系统,应用于联合变换相关器的红外目标探测。该系统在焦距100-200mm内连续变焦,工作波段为8-12μm,F数为3。系统仅由7片透镜组成,引入两个非球面。像质评价结果表明：在整个变焦范围内,在截止频率17lp/mm时,各视场MTF接近衍射受限曲线,像质优良、像面稳定,满足光学系统的总体设计要求。     

制冷红外双波段变焦光学系统设计

设计了一组制冷型红外双波段变焦系统,焦距在80～240 mm内变化,视场角1.4°～4.4°,F数为2.2。系统利用二次成像方式,达到了100%冷光阑效率,并采用共光路成像方式同时实现对中长波段的像差校正。设计结果表明:系统满足了3.7～4.8μm中波波段及7.7～10.3μm长波波段同时成像的要求。各视场MTF在17 lp/mm处均接近系统衍射极限,弥散斑均方根半径基本小于一个像元尺寸30μm,成像质量良好。通过机械补偿变焦运动方程计算和Matlab编程绘制出了变焦系统的凸轮曲线,曲线不存在断点,运动过程合理。     

基于太赫兹波段的三反变焦系统设计

太赫兹波段是指频率从0.1～10 THz,处于微波与红外波段之间.因其具有较强的穿透性、高效抑制背景噪声、良好的时间和空间相干性等特性,故在空间探测应用领域具有很大的潜力.相对透射变焦系统而言,反射变焦系统具有长焦距、大孔径、小体积、利于轻量化设计等优点,故在空间遥感探测领域被广泛使用.因此,设计太赫兹反射式变焦光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景.以三级像差理论和矢量像差理论为基础,分别设计了太赫兹波段的共轴三反变焦系统与无遮拦三反变焦系统,焦距范围为300～1200 mm,成像波段为18～35μm,采用RTM-T01非制冷型太赫兹探测器.共轴三反变焦系统的视场角为0.3°～1.2°,系统在10 lp/mm处的MTF≥0.2;无遮拦三反变焦系统的视场角为2° ×2°～0.5° ×0.5°,系统在10 lp/mm处的MTF≥0.3.通过对两种设计结果的比较,可知由于共轴系统反射变焦系统存在遮拦,对增大视场具有局限性,因此,无遮拦反射变焦系统对于空间大视场高分辨探测具有重要应用价值.     

红外变焦系统结构设计

为了模拟目标成像大小的变化过程,设计了一款17x的红外变焦系统,为保证系统在变焦过程中像面的稳定性,应用动态光学知识在Matlab中建立数学模型,得到变焦拟合曲线。重点针对变焦系统的结构进行了设计与分析,由物理制约条件出发分析了凸轮直径、工作转角及螺旋升角间的关系。实验表明,基于动态光学设计的凸轮曲线可以保证系统在变焦过程中像面稳定,成像质量良好。     

变倍Maksutov-Cassegrain望远系统设计

基于系统要求以及Maksutov-Cassegrain望远物镜和变倍目镜的设计原理,设计了一种小型连续变倍Ma-ksutov-Cassegrain望远系统。为降低成本,系统中所有光学表面均采用球面。物镜部分采用弯月型厚透镜和一组双胶合透镜来更好地校正像差;目镜部分采用了无后固定组、像面在内的结构来缩短系统长度,并利用相关程序对变焦曲线进行了拟合。本系统通过目镜的连续变焦配合固定焦距的物镜实现了25～75倍的视觉放大倍率,各种像差都得到了很好的校正,满足指标要求。     

折射式红外变焦光学系统内部杂光分析

针对折射式红外变焦光学系统内部的杂散辐射,设计了焦距240-60mm、系统F/#为4、视场11.96°-2.84°、工作波段为3.7-4.8μm的制冷型中波红外变焦光学系统。该系统为二次成像结构,并且有100%的冷光阑效率。利用杂散光分析软件Light Tools,建立光学机械结构模型并判断出关键表面,分析得到探测器像面接受的热辐射,根据信噪比推断出目标的最小辐亮度。采用光路倒置的方式分析光路中各光学表面产生的冷反射大小,分析了光学系统在不同焦距时的冷反射效应,结果表明该光学系统具有较好冷反射抑制效果。     

宽波段非制冷红外变焦光学系统设计

面向有毒有害气体探测需求,提出采用双色宽波段高灵敏度红外气体探测方法,并针对宽波段变焦色差校正难题,提出一种基于复消色差和机械正组补偿理论的宽波段红外变焦光学系统设计方法,设计了一种宽波段非制冷红外变焦光学系统。系统焦距25～75 mm,工作波长3～12μm,F数为1.8,适配640×512分辨率的非制冷双色红外焦平面探测器,像素大小17μm,变焦过程中系统总长保持160 mm不变。设计结果表明,系统在全焦段各视场调制传递函数在30 lp/mm处均接近衍射极限,成像质量良好,满足设计要求。系统具有结构紧凑、波段范围宽等优点。     

高倍率变焦镜头凸轮曲线的精度分析与整调

本文针对高倍率变焦距镜头凸轮曲线坐标的精度是保证像面位移的重要参数,结合35毫米电影摄影10倍变焦距镜头的生产实践,提出了高倍率变焦距镜头凸轮曲线精度分析和调整方法。     

双波段内窥镜变焦适配器光学设计

目前内窥镜适配器多为定焦结构,只能对一些特定类型与波段的内窥镜系统进行成像,适用广泛性低,不便于内窥镜的清洗与更换.为了解决上述问题,以更宽的光谱范围、可变的光学焦距来提高适配器的适用广泛性,实现内窥镜适配器一对多的运用.使用ZEMAX优化设计得到了一款四组10片式双波段变焦适配器,变焦范围20～50 mm,入瞳直径5 mm,全视场6.8°,波段选用0.45～0.68μm波段以及常用的荧光波段0.81～0.85μm.系统优化后,调制传递函数在133 lp/mm达到0.2,总长为80 mm,并通过MATLAB拟合出变焦凸轮曲线,总体设计满足实际运用需求.     

基于拼接面型的双通道光学系统设计与分析

为了满足不同视场的探测需求,且兼具结构简单的光学系统,提出了一种新型共透镜式双通道光学系统,其每个通道可用于实现不同的探测需求。两个通道组合成一个系统而没有任何结构重叠,并在同一像面上成像。此外,在光学系统中对前两个透镜表面使用拼接面型,以确保镜片表面面型没有发生突变,从而保证其制造和组装的可行性。最后,设计了一个系统原型进行验证。在中心半视场通道(0°～10°)处提供3 mm焦距,在边缘半视场通道(35°～50°)处提供1.5 mm的焦距。光学系统的成像性能接近衍射极限。因此,该系统具有径向变焦特性,可以在中心视场通道具有更详细的视觉分辨能力,而边缘视场通道用于探测目标所处的区域。这种系统可用于监视、检测和导航等领域。     

大靶面制冷中波红外变焦光学系统设计

为了提高人眼观察图像的舒适度,基于大面阵640×512 pixel、25μm制冷焦平面阵列的中波红外探测器,设计了一款中波红外连续变焦系统.系统工作波段为3~5μm,F数为4,焦距变化范围50~601 mm.利用光线反向追迹的方法分析了系统的冷反射效应,采用蒙特卡洛分析法对系统公差进行综合分析评价.结果表明:系统在奈奎斯特频率处全视场传递函数大于0.4,在25μm内能量集中在80%以上,同时系统具有较好的冷反射抑制效果;系统具有分辨率高、像质好及变焦轨迹平滑等特点.     

双波段共口径共变焦光学系统设计

为了实现可见、红外两个波段同时观测、跟踪及测量的目的,设计了一款可见/中红外双波段连续共变焦光学系统.系统采用共口径方式同时接收可见、红外两个波段的光波.利用直接变倍比差补偿法对两个波段的变倍比差进行补偿,使可见、红外两个波段变倍比相同且在任一变焦位置焦距相等,满足双波段共口径共光路共变焦的要求.设计结果表明:系统变倍比为12×,焦距范围7~86mm.常温下,可见光工作波段为0.38~0.76μm,其调制传递函数值在空间频率80lp·mm-1处达到0.5以上;中波红外工作波段为3~5μm,其调制传递函数值在空间频率为20lp·mm-1处达到0.6以上.总体积小于392mm×58mm,成像质量满足设计要求.     

基于双直线电机的光学镜头连续变焦控制

针对传统变焦距系统存在响应速度慢、定位精度差和视轴晃动大等问题,设计了一种新型的连续调焦组件及其控制系统。利用双混合直线步进电机和微型光栅尺构成调焦组件,在简化变焦结构的基础上,采用一种四组式机械补偿方法对光学镜进行连续变焦距控制,设计了相应的变焦控制算法和控制系统硬件电路。外场实验结果表明,该系统在定位精度、响应精度和视轴晃动等方面较传统变焦控制系统均有明显改善,定位误差小于1%,视轴晃动小于10″。     

ATM电子监控预测身高的数学模型

根据像高预测真实身高的数学模型,用matlab 6.5编程求解,建立以像高、拍摄对象与镜头的垂直距离和偏离距离为自变量的三维线性插值模型,寻找ATM电子监控器的最佳镜头焦距.通过实验测定不同焦距、不同身高的拍摄对象与镜头不同距离得到的像高,对置于1.2 m高处的ATM监控器,使用焦距为4 mm的镜头预测效果最好,84 %的点预测误差在±2 cm内,预测结果与实际身高无显著差异.三维线性插值有效地应用于ATM电子监控器身高的预测,可作为刑侦破案辅助手段.     

介电润湿驱动的变焦液体透镜电动力学分析

为增进对液体微透镜变焦的动力学特征的理解,将晶格玻尔兹曼方法与电动力模型相结合,提出了一种晶格玻尔兹曼-电动力(LB-ED)方法研究介电润湿(EWOD)驱动的变焦液体微透镜原理.采用晶格玻尔兹曼方法求解Navier-Stokes方程以研究透镜的变焦过程,引入新的分布函数求解电场分布以计算驱动透镜变焦的电场力.首先数值分析了EWOD效应,并与理论分析及实验结果进行对比,验证数值方法的准确性;然后研究了电压对EWOD驱动的变焦液体透镜焦距的影响;分析了透镜变焦的动态过程;最后讨论了绝缘液体黏度对透镜响应时间及系统稳定性的影响.研究表明:不仅低电压下接触角变化与Lippmann-Young方程吻合良好,且高电压时出现接触角饱和现象,与实验结果一致,数值方法正确;根据数值计算和理论推导,建立了电压与焦距的关系;施加电压的初始时刻,电场力引起接触角突变,透镜需要延迟时间响应接触角的变化;发现绝缘液体黏度过小,系统处于振荡状态,黏度过大,系统处于过阻尼状态.合适的液体黏度可以使系统性能达到最佳.     

变焦距物镜象面位移的测定

1982年6月,我们用GCH—1型传函测定仪,对焦距变换分别为18、28、44、69、108毫米的6×采访电视变焦距物镜进行了测量。本文主要谈谈如何测量该物镜的象面位移以及评价物镜质量的问题。一、变焦物镜象面位移的测定当通过物镜的光源波长以及观测的视场的方位均为确定值时,对于定焦物镜,只有一个最佳象面。而变焦物镜则不同,当变换焦距时,不同焦距可能有不同的最佳象面,这就是