“日盲”紫外电晕检测变焦光学系统设计

基于电晕检测过程中要求紫外光学系统大视场搜索、小视场探测的需求,针对工作波长范围为0.24~0.28μm的日盲区紫外波段,设计了"日盲"紫外机械补偿变焦光学系统。根据用户要求,其焦距为30~60 mm,F数为3.5,选用PIXIS型1024BUV 1 inch(1 inch=2.54 cm)紫外CCD,像元尺寸为13μm×13μm,对应视场为8°~16°。系统由8片透镜组成,引入两个非球面,使系统具有结构简单、成本低等优点。像质评价表明,在截止频率38 lp/mm处,各视场的光学调制传递函数均在0.7以上,接近衍射极限,畸变小于3%,在整个变焦范围内像质优良,满足用户总体设计的要求。     

双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm宽波段光学系统中的应用

双层衍射光学元件能够在宽波段光谱范围内工作并具有较高的衍射效率。提出了工作在一定入射角范围内的双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。设计了一种工作波段为0.4~0.9 μm的含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统。其焦距为28 mm,F/#为2,视场达到18°。该系统采用Petzval物镜结构,由四片透镜组成。在60 lp/mm处,其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.67。所用双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm波段内的带宽积分平均衍射效率高于91%。系统中入射到衍射面上的角度为0°~8.62°。该双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率为97.36%。与传统的折射式宽波段光学系统相比,含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统的结构更简单,分辨率更高。     

折衍混合紫外告警光学系统设计

为了满足紫外告警系统在军事方面的应用,采用二元衍射元件和非球面元件,设计了一种日盲紫外告警的光学系统,其工作波长范围为240nm～280nm,视场角为40°,采用“负-正“型式的反摄远镜头结构,仅由5块透镜构成,此镜头结构简单、体积较小、能量集中度高。结果表明,此设计方案能很好地解决紫外镜头轴外像差校正的问题,使点列图能量集中,小于紫外CCD的像素,满足紫外告警设计要求。     

折反式周视红外成像系统光学设计

为增大周视成像系统视场的同时有效降低红外光学系统的复杂度,采用折反式光学结构,通过反射镜及透镜光焦度的合理分配,引入衍射面。分别设计了视场为360°×（-40°～50°）的折反式一次成像非制冷红外周视成像光学系统及视场为360°×（-30°～50°）的折反式二次成像光学系统。其工作波段为8～12 μm,光学系统F数为1.2。该系统可实现360°全方位和一定俯仰角度范围内凝视成像。设计结果表明,该系统的结构简单紧凑,后截距大,成像良好,在空间频率20 1p/mm处的调制传递函数(Modulated Transfer Function, MTF)值大于0.4,能满足应用需求。     

用于导弹逼近告警的“日盲”紫外光学系统设计

紫外告警技术在军事应用中扮演着重要的角色。基于日盲紫外光学系统的最佳工作波段240~280 nm,设计了一款用于导弹逼近告警的光学系统。为提高系统接收的紫外辐射能、扩展系统探测范围以及简化系统结构,系统中采用了非球面和二元衍射光学元件。系统中含有5 片透镜,其焦距为50 mm,视场角为43。探测器采用ANDOR 公司的iKon-L 936 型CCD,其像元大小为13.5 m13.5 m,有效成像面积为27.6 mm27.6 mm。系统优化后,最大RMS 半径仅为11 m 左右,远小于像元尺寸。超过86%来自物方各视场的紫外辐射会聚在半径为6.75m 的圆内。像质表明,所设计的系统能够满足日盲紫外光学系统的工作条件。若减小焦距,则系统的视场角可进一步增大。     

折衍混合红外双波段变焦光学系统设计

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在?40~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。     

动态红外场景准直投射光学系统的设计

描述了动态红外场景模拟系统的光学原理,概述了一种准直投射光学系统的设计过 程,此投射光学系统工作波段在8 ～12μm,焦距为112. 97mm,相对孔径为1 ∶1. 5,视场角为20°,入瞳距为30mm,工作距离为120mm左右。最后给出的像差曲线及传递函数曲线,表明光学系统的像质满足使用要求。     

长波红外光学系统无热化设计

分析了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了工作于8～12 μm,全视场角为6.44°的红外消热差光学系统,设计结果表明,该系统在-10℃～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为45μm的非制冷焦平面阵列探测器.     

双波段/双视场红外光学系统设计

研究了双波段/双视场红外光学系统的设计,设计了双波段/双视场红外光学系统,引入衍射光学实现双波段成像,采用移动单个透镜实现视场切换.结果表明,该系统可以实现焦距为37mm/100mm,工作波段为3.7～4.3μm/8 12μm的双波段/双视场光学系统,F数为1.2,在空间频率201p/mm处的光学传递函数值＞0.5.应用结果表明,该系统结构简单,像质好.     

大视场高分辨率深海探测变焦光学系统设计

为满足深海探测需求，实现深海中更高质量成像，设计了深海专用的连续变焦光学系统，该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境，考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降，对光学窗口进行光机集成分析，将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后，光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m，变焦全程F数恒定为3.0，可实现全视场角5.7°～90°范围内可调，10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面，系统总长为260 mm。在208 lp/mm处，整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3，另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑，成像质量良好，变焦曲线平滑，可以满足实际应用的需要。     

满足双视场需求的红外模拟光学系统的设计

简述了红外场景产生的技术背景以及基于液晶光阀实现可见光到红外视频图像转换的模拟器的总体结构。重点介绍了一种适用于两种不同视场的红外光电系统测试与评估的动态红外场景模拟器光学系统的设计,其中包括变倍透镜的选择和准直投射光学系统的设计。从理论上分析了利用变倍透镜的变化写入不同放大倍率的可见光图像,来满足视场变化需要的方法;从光学指标的确定,结构、材料的选取到最终光学性能,阐述了准直投射光学系统的设计。此投射光学系统工作在8～ 12 μm , 焦距271.69 mm,视场为±4°,入瞳距150 mm,后工作距离139.2 mm,点列图和传递函数曲线表明此投射光学系统像质达到理想状态。最后分析了光学系统性能参数与指标要求的符合。在满足设计指标的前提下,和变焦系统相比,该光学系统结构简单、成本低、可行性高。     

中波红外光学补偿三视场光学系统

针对320×240元致冷型凝视焦平面阵列探测器,设计了一种中波红外光学补偿三视场光学系统。该系统由变 焦物镜系统和二次成像系统构成,包括8块透镜(引入3个高次非球面,其余均为球面),并采用两个反射镜折叠光路。利用光学补偿变焦 原理和光学设计软件给出了系统的光学外形结构图,并对其像质和工艺性进行了分析。该系统可以通过对一组透镜的轴向定点移动实现 20°×15°、3.5°×2.6°和1.3°×1°三个视场的切换,系统变倍比为 1∶15。各视场在16 lp/mm空间频率处的光学传递函数(MTF)值均大于0.5,弥散斑直径的均方根(RMS) 值均小于20 m。工作波段为3.7 ～ 4.8 m,满足100 %冷光阑效率。该系统结构紧凑,工艺性好,成像质量高。     

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。     

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。     

基于液晶透镜的电控式光学影像缩放系统

为了在便携式设备上实现光学影像缩放,不包含机械式移动的光学系统开发是必要的,因此,我们对可电控改变焦距的液晶透镜所组成的光学系统进行研究,研究内容包含液晶透镜焦距对于放大率、变焦比以及对焦范围的关系。由于单片液晶透镜仅能达到对焦功能,因此我们首先利用两片液晶透镜组成的系统来计算不同物体距离的影像缩放条件。接着,我们利用三片液晶透镜,做到与机械式系统相同,可单独控制清楚物体平面距离以及控制影像大小的系统。实验结果表明:利用三片透镜屈光率从-11.3m-1连续电控调整至24.9m-1的液晶透镜,可实现清楚物体平面距离由10cm连续调整至100cm且缩放比为6.5∶1的光学缩放系统。我们利用不同调焦范围的液晶透镜,根据设计原理,来达成不同对焦范围与不同缩放比的电控光学缩放系统。     

大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计

随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm（变倍比为2:1）,工作波段为8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料（硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗）组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。     

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。     

一体化摄像机变焦控制系统的设计

研究了一体化摄像机光学镜头中变倍电机和聚焦电机的控制原理,实现了步进电机初始位置检测、图像变倍时变倍电机与聚焦电机的配合驱动.为了适应不同物距的变倍跟踪,提出了一种改进的灰度差分自动聚焦算法,计算当前图像的聚焦函数值并采用爬山搜索策略实现了图像的自动聚焦.整个系统采用VHDL实现,并在Xilinx Virtex-5 FPGA开发板上验证.     

20~×长波红外连续变焦光学系统设计

针对384×288长波量子阱焦平面探测器,设计了一个变倍比为20×的长波连续变焦光学系统,其工作波长范围为8～9 m,F数为3,可实现18.5～367mm的连续变焦。该系统由机械补偿变焦物镜和二次成像系统组成,包括6片透镜和2片反射镜,具有大变倍比、高分辨率、小体积、高像质等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了仿真计算和像质评价,在奈奎斯特频率20 lp/mm处,系统全焦距范围内的MTF接近衍射极限。     

红外生命探测仪用光学系统的设计

为了使红外生命探测仪的光学系统具有更大的探测范围,提出了一种新型红外双视场光学探测系统.该光学系统为变焦距光学系统,它利用轴向移动变焦方式使透镜组实现变倍和温度补偿,简化了机电系统结构.该光学系统的工作波段为8～14μm,焦距为35～140 mm,变倍比为3倍.由于选择锗(Ge)和硒化锌(ZnSe)作为透镜材料,F数≥...