大口径折反射式变焦距物镜的设计

本文介绍了一种大口径变焦距物镜的设计方法,该方法将整体光学系统分为前后两个部分,在前端光学系统采用反射式的结构来满足大口径的要求,后端光学系统采用将变焦距物镜倒接的方式,在系统的一次像面处进行组合,通过对后端倒接变焦距物镜的优化设计保证系统的成像质量。同时,通过具体的实例加以验证说明,从设计的结果看这种设计方法是可行的,并能保证系统结构的简单紧凑,解决了大口径光学系统在实现连续变焦时光学系统设计困难的问题。     

飞行目标实况记录系统光机结构设计

在对飞行目标的实际情况监视和记录时,实况记录系统是一种非常重要的电视设备。变焦距望远镜是其重要的组成部分,介绍了变焦距镜头对像面补偿时常用的机械补偿和光学补偿的优缺点。并根据某实况记录项目的指标要求,详细地论述了光学系统的方案确定,主光学系统和凸轮变焦距系统的结构设计。对完成的实况记录系统进行了检测,其光学系统的目视鉴别率达到了53l p/mm,不仅各项技术指标达到要求,对其他同类型变焦距镜头的设计具有一定的借鉴作用。     

连续变焦距镜头焦距实时输出问题研究

用于精密跟踪测量的变焦距镜头为了满足精确测量的需求,需要实时输出准确的焦距值.本文在简单介绍连续变焦距光学系统的分类,以及基本结构形式和原理的基础上,着重分析了其在变倍过程中焦距值实时输出的理论基础,实现方法和存在的问题.     

红外目标模拟器的光学设计

设计了一种用于红外光电系统性能测试的目标模拟器的光学系统。原理上采用一个无焦系统与后聚焦系统的组合系统,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,最终设计结果为工作波段8~12μm,焦距230.599mm,视场12°,入瞳距600mm,入瞳直径100mm。整个光学系统有9个光学透镜,最大口径229.77 mm,光学系统达到衍射极限,全视场MTF均优于0.39,80%的能量集中在23μm的弥散圆内。各项指标都满足设计要求,能很好地应用于红外光电系统的性能测试。     

分孔径三视场中波红外光学系统

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。     

可调焦离轴三反光学系统的装调

针对离轴反射光学系统的精密装调问题,提出了一种高精度空间交互测量以及基准传递系统,可实现调焦角度与系统光轴的高精度角度定位。该系统口径为450mm,可实现0.5km至无穷远的调焦,调焦角度精确定位后,只需调整无穷远处离轴三反光学系统的波像差满足要求,即可保证系统各个调焦位置处的波像差均满足设计要求,大大提高了装调效率。装调实验结果表明,无穷远处系统的波像差结果为0.09λ,1.5km处系统的波像差为0.1λ,2.5km处系统的波像差为0.11λ,0.5km处系统的波像差为0.2λ,均优于设计要求。     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

离轴光学系统的畸变分析及焦距测量

为了实现离轴光学系统的高精度畸变分析、测量及在轨图像的快速、高精度畸变校正,利用高阶畸变分析方法对离轴光学系统的相对畸变进行了拟合分析。首先,对离轴光学系统的理论畸变进行了分析,提出了等效焦距的概念,并利用高阶畸变分析方法对系统的相对畸变进行了拟合分析;接着,针对装调完成的某离轴光学系统完成了畸变测试及焦距测量;最后,利用实测结果完成了该离轴光学系统的物像对应关系的高精度解算。与ZEMAX光线追迹的结果相比,利用高阶畸变系数计算得到的等效焦距最大偏差为0.366 mm;对于某装调完成的离轴光学系统,实测等效同轴系统焦距的偏差仅为6.378 mm,相对偏差为0.073%。验证了该方法对于离轴光学系统畸变分析、测量及焦距测量具有正确性及精度保证,将为在轨图像的快速、高精度畸变校正提供可靠输入。     

长焦距空间三反光学系统的设计

长焦距、小体积是空间光学系统设计研究的热点.本文在三镜反射光学系统的几何光学理论基础上,尝试性进行了小尺寸、大视场、长焦距全反射系统的设计.本文所研究的光学系统三个反射面都是二次曲面,并给出了视场可达到3°,焦距为10m的两种设计结果,最后对两种设计结果进行了比较,得出了相应的结论.对实现长焦距、小体积的可行性进行了初步的探讨.     

基于光程变化量的反射式光学系统敏感度理论分析与降敏设计方法

光学系统的最终性能不仅取决于其理论设计结果,更重要的是取决于光学系统建造过程中对于面形加工、装调位置和系统稳定性等误差因素的控制。为了探究反射式光学系统误差敏感度的影响因素及规律,以同轴两反式光学系统作为研究对象,提出了采用失调误差引起的光程变化量作为光学系统误差敏感程度的评价标准,理论推导了由反射镜位置失调因素引起的光程变化量的数学解析表达式,通过一套标准Ritchey-Chretien系统,并应用光线追迹的方法,计算了在各项失调扰动情况下所产生的实际光程变化量,与理论推导值对比,相对误差均在1%左右,证明了光程变化量理论表达式的正确性。在光程变化量理论研究的基础上,提出并建立了基于光程变化量作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。以一个焦距为5 600 mm的同轴两反系统为例,通过15轮迭代优化,设计了同时满足光程变化量与波像差指标的光学系统,并通过光程变化量与波像差改变量的关系,验证了光程变化量作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。     

中波红外连续变焦光学系统

针对制冷式320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,包括7片透镜,引入一个非球面,并采用两个反射镜折叠光路。利用变焦系统原理和光学设计软件给出了系统的光学参数和外形结构图,并对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现50~500 mm的连续变焦,工作波段为3.7~4.8 μm,满足100％冷光阑效率。结构紧凑,像质较好,变焦行程短,变焦轨迹平滑。     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

红外双波段双视场共光路光学系统

考虑红外多波段双视场共光路系统多谱段色差严重且能量透过率低,本文设计了结构简单的红外中波/长波双波段双视场折射系统,实现了成像系统的功能多样性。该系统采用了320pixel×240pixel红外中波和长波双色焦平面阵列探测器,通过引入非球面元件提高了系统校正像差的能力,实现了镜片组的结构性调整。系统包括变焦和二次成像两个子系统,其中变焦系统短焦距为50mm,长焦距为200mm,满足100%冷阑匹配。像质评价结果表明:在17lp/mm处,调制传递函数(MTF)在中波处大于0.5,在长波处两个视场下都接近衍射极限;另外80%左右的能量都能被集中在一个像元上,光谱透过率均匀,且无严重的冷反射现象。优化后的光学系统具有适用范围广,结构紧凑以及成像效果好等优点,在机载光电侦察跟踪设备上有较好的应用前景。     

中波红外两档变焦光学系统

报道了一种用于320×240制冷型探测器的中波红外两档变焦光学系统。该系统采用二次成像、前组透镜轴向移动变焦的光学结构形式。根据探测器类型和实际的使用要求给出了系统的光学参数,并利用光学设计软件对系统的像质进行了的分析。结果表明,该系统可以实现焦距为180/60两档变焦,工作波段为3～5μm,F数为1.96,满足100％冷光阑效率,截止频率16lp/mm处的MTF值大于0.6,结构简单,使用方便,像质好。     

光栅成像光谱仪同心光学系统研究

详细讨论了光栅同心光谱仪的波像差表达式。当入射光束与出射光束平行时,单色同心光学系统空间任一点成几何理想像。揭示了光栅同心光谱仪满足远心条件时,光瞳像差仅有三级球差和场曲及高级剩余像差,系统需要校正场曲和球差。光栅必须放在前后光学部分的焦平面上,满足远心条件。最佳光栅刻线是等间隔平行线。介绍了两种典型同心光学系统的结构和特性。     

谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统的研究

太赫兹波是一种非常有科学价值的电磁波。文中利用谐衍射元件独特的色散性质,将谐衍射透镜应用于14-50µm太赫兹成像系统中,使系统在15.8-16.2µm, 18.5-20µm,23-25µm,30.5-33.5µm和46-50µm五个谐振波段内的轴向像差最大为0.75mm。各谐振波段内的放大率是波长的函数,图像重构时将引起像元的配准误差,利用光学二组元法设计的变焦结构成功地解决了这一问题。设计结果表明：系统像高恒定为6.74mm;变焦结构还具有很好像差补偿作用;在10对线/mm时,光学传递函数在五个谐振波段内均达到衍射极限;实现了轻、小、易加工的设计要求。     

6.5倍微小型可见光变焦光学系统设计

连续变焦光学系统在执法取证、森林防火、海洋搜救、道路交通、无人机侦察等领域有着广泛且必不可少的实际应用。为提高变焦系统的性能指标,并使系统小型化,通过Zemax光学设计软件反复优化计算,设计了焦距为2.68～17.5 mm、视场为4.7°～31°的变焦系统。整个系统由4组10片透镜组成,物镜的像方F数为2.15～3,MTF值在250 lp/mm时均大于0.25,畸变在4.5%以内,光学总长小于27 mm,总质量小于0.77 g,具有结构紧凑、体积小、重量轻、分辨率高、成像质量好等优点,是一款微小型的连续变焦光学系统。     

光学补偿式长波红外变焦系统设计

红外连续变焦光学系统是红外热像仪的重要组成部分.介绍了一个变倍比为5×的长波连续变焦光学系统,该系统采用光学补偿的变焦方式,光学系统的F数为2、冷屏效率100%.对5个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射极限.采用二次成像方式,使光学系统的通光孔径被约束在Φ128mm以内.该光学系统在整个变焦过程中具有较...     

基于电润湿效应的自变焦补偿光学系统

变焦光学系统是照相机、摄像机等许多光学器件中的关键元件,实现变焦光学系统的微小型化及增大系统的变倍比是一个长期目标。研制了一种三液体自变焦补偿透镜,可在外加电压作用下实现自变焦补偿功能,因此该透镜元件本身可以作为一个简单的变焦光学系统。通过高斯光学理论分析及Zemax模拟仿真验证了该系统的自变焦补偿功能。结果表明,该系统焦距变化范围为378～424 mm,变倍比为1.217,达到了预期目标,对变焦光学系统的研究具有一定的参考价值。