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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种大口径连续变焦距系统的结构设计

针对某大口径光电探测设备技术指标设计了一种口径为1 m级,焦距变化范围为2000~6000 mm的大口径、长焦距可见光连续变焦系统。比较了以往的连续变焦结构优缺点,选取了合适的凸轮机构并进行了详细地结构设计。利用有限元软件对连续变焦距系统中的关键结构件凸轮进行了静力学和动力学分析。计算了该种凸轮结构下的连续变焦距系统的精度为3.3μm,满足系统的测量要求。     

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。     

短波红外成像变焦匀化激光照明系统

针对近年来得到迅速发展的短波红外成像系统,分析了增加激光主动照明的必要性.目前常用的激光照明匀化方案均匀性均不高,达不到照明成像的要求.提出了连续变焦激光照明系统,使用成像镜头把光纤端面的像直接成像在被照明表面,照明光斑均匀.分析了变焦照明系统的设计理论,设计了25倍变焦的短波红外激光照明系统.该照明系统的光学镜头由3组镜片组成,由凸轮结构实现连续变焦.体积小,结构简单,变焦倍数大.最终实现了2～50°的照明角度连续变化.照明光斑均匀度达到92.7%.进行了野外成像实验,对人员识别距离可达1.2 km.设计的连续变焦激光照明系统对提高短波红外成像系统的夜视能力具有较高的意义.     

短波红外成像变焦匀化激光照明系统（英文）

针对近年来得到迅速发展的短波红外成像系统,分析了增加激光主动照明的必要性.目前常用的激光照明匀化方案均匀性均不高,达不到照明成像的要求.提出了连续变焦激光照明系统,使用成像镜头把光纤端面的像直接成像在被照明表面,照明光斑均匀.分析了变焦照明系统的设计理论,设计了25倍变焦的短波红外激光照明系统.该照明系统的光学镜头由3组镜片组成,由凸轮结构实现连续变焦.体积小,结构简单,变焦倍数大.最终实现了2～50°的照明角度连续变化.照明光斑均匀度达到92.7%.进行了野外成像实验,对人员识别距离可达1.2 km.设计的连续变焦激光照明系统对提高短波红外成像系统的夜视能力具有较高的意义.     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种长焦大变倍连续变焦光机组件结构设计及装调

介绍了一种基于长焦大变倍比连续变焦红外热像仪的结构设计及装调方法。可用于各类红外热像仪的变焦结构设计中,在保证图像清晰的前提下,能够明显改善连续变焦过程中的光轴晃动,提高红外热像仪的光轴一致性和光轴稳定性,控制焦距精度,降低红外热像仪装调难度。该结构采用双导轨配合步进电机组件化设计,相对于其他变焦结构的设计,该结构变焦过程中光轴一致性好,光轴晃动量小,通用性强。     

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.