An all-silicone zoom lens in an optical imaging system

An all-silicone zoom lens is fabricated. A tunable metal ringer is fettered around the side edge of the lens. A nylon rope linking a motor is tied, encircling the notch in the metal ringer. While the motor is operating, the rope can shrink or release to change the focal length of the lens. A calculation method is developed to obtain the focal length and the zoom ratio. The testing is carried out in succession. The testing values are compared with the calculated ones, and they tally with each other well. Finally, the imaging performance of the all-silicone lens is demonstrated. The all-silicone lens has potential uses in cellphone cameras, notebook cameras, micro monitor lenses, etc.

变光阑长波红外连续变焦光学系统设计

非制冷长波连续变焦光学系统由于相对孔径大导致小型化和无热化设计困难,本文采用可变光阑约束物镜尺寸压缩系统总长,实现长波640×512非制冷连续变焦光学系统轻小型化设计。通过材料合理配置及主动补偿实现5片透镜的8.5×连续变焦光学系统消热设计。该系统F#恒定1.2、工作波段为8~12μm、视场变焦范围为30°×24°~3.5°×2.8°、系统总长187.5 mm,该连续变焦光学系统重量轻、总长短、透过率高、在-40℃~+60℃温度范围全视场成像质量良好。

可见-短波红外宽波段30倍连续变焦光学系统设计(特邀)

可见-短波红外宽波段共焦面变焦光学系统是实现光电系统高功能密度化的重要手段,但光学材料在该波段范围内表现出较大的色散特性差异,给相应波段连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题,文中从连续变焦系统设计模型出发,结合宽波段光学系统设计中的消色差条件,论述了一种宽波段变焦系统中各组元材料选择的方法,指出了胶合元件在宽波段光学系统设计中的特殊用途,设计完成了一款宽波段连续变焦光学系统,该系统F≤5.5、焦距范围为10~300 mm、水平视场38.8°~1.25°、工作波段范围为0.48~1.7μm,适配1080 P、像元3.45μm的InGaAs探测器,可通过切换滤光片实现多波段成像,还可通过切换机构或分色棱镜实现彩色/透雾/激光/微光等不同功能的共孔径集成。所述系统透镜总数为18片,采用了7种普通光学玻璃材料,总长不大于190 mm,在整个变焦范围内,均表现出优良的成像质量。

大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计

长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦,利用主动补偿的消热差技术使系统在−40°C~+65°C温度范围内能够清晰成像,实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm,变倍比为15,光学系统包络尺寸为268 mm(长)×200 mm(宽),光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征,在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

基于卡式结构的大口径连续变焦光学系统设计

变焦系统可实现对大视场目标的搜索,但是大视场的轴外像差会对卡式结构的轴外成像产生严重影响,为了能同时实现大视场、长焦距连续变焦的目标,在卡式结构像方增加了一个矫正透镜,设计了一种工作场为0°~1.5°、焦距变化范围为800 mm~1600 mm的红外连续变焦系统。系统由卡塞格林望远镜结构和三组元机械补偿变焦结构组成,工作波长为1064 nm的激光,最大口径为300 mm,各个焦距下最大畸变小于0.5%。在17 lp/mm处各个焦距下的MTF均大于0.5,且接近衍射极限,弥散光斑尺寸很小,均在艾里斑内,成像质量良好,各视场下的像差均得到校正,各项指标都满足设计要求。

基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂(RC)结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450~850 nm的光谱范围内,焦距为700~3500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1400~3500 mm,F数为5~12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

基于可调光焦度器件的变焦内窥物镜光学设计

针对内镜外科手术中局部病灶图像不易获得的问题,提出一种基于可调光焦度器件的光学变焦内窥物镜光学设计系统.该系统基于Gauss括号法和内窥物镜变焦原理,推导分析可调光焦度器件的变焦内窥镜的一阶光学控制方程.应用一阶变焦光学理论的解析解和光学设计软件ZEMAX,对内窥镜3个典型变焦位置进行优化设计和成像评价,分析其光学成像能力.结果表明,基于可调光焦度器件的变焦内窥物镜对人体内壁组织变焦放大后具有辨别能力.该光学系统具有无组件移动、响应频率快和体积构造小等优点,可提高内窥镜治疗技术在外科治疗诊断的准确率.

基于红外连续变焦机构尺寸链构建与公差设计

在产品结构设计中,沿袭已有产品或者凭借已有经验是一种普遍存在的现象,红外热像仪连续变焦机构光轴跳动超差一直是业内的难题,而其跳动量的大小直接影响着系统的性能指标。本文以导杆式两组元联动连续变焦机构为例,首先从装配角度分析影响连续变焦机构光轴跳动的因素,然后通过分析关联尺寸,依据尺寸链原理,构建了层次清晰、合理正确的装配尺寸链模型,再通过光机参数转化,确定尺寸链中封闭环的公差,最后依据公差设计原理,对尺寸链中各个组成环进行公差分配,并通过公差分析的方式,核算封闭环的极限偏差,确保各组成环的公差设计正确、无误。

基于液晶空间光调制器的附面层效应模拟

为了给航空动平台激光通信的附面层效应校正系统提供验证条件,设计了一种基于液晶空间光调制器来模拟附面层效应的模拟器。首先,从几何光学的角度分析附面层效应,将其等效为负透镜。然后,利用计算机对不同飞行条件下附面层效应与等效负透镜焦距之间的关系进行数值分析仿真。之后在液晶空间光调制器上导入不同焦距透镜的相位灰度图以实现变焦透镜的功能,通过改变变焦透镜的焦距来模拟航空平台不同飞行条件下的附面层效应。最后通过实验验证模拟的准确性,在环境温度下,模拟附面层效应的液晶空间光调制器得到的光斑图像由红外相机拍摄,之后进行图像处理分析实际光斑大小,并与理论计算光斑大小比较,得出误差曲线图。研究结果显示,基于液晶空间光调制器模拟附面层效应引起散斑效应的理论光斑大小与实际光斑大小的均方根误差为0.04375,验证了所提出的方法的可行性和有效性。

基于同轴柯勒照明的大变倍比紧凑型显微镜设计

为了实现大靶面、大变倍比显微成像并解决同轴柯勒照明高集成度设计的问题,本文提出了一种基于同轴柯勒照明的大变倍比紧凑型显微镜光学系统设计方法。首先,对望远镜和显微镜连续变倍光学系统的成像原理进行了分析,并对正组补偿式变倍显微镜光学系统的设计原理进行了理论分析。然后,提出把前固定组分解为准直组和汇聚组,并在两镜组间设计分光镜,并通过共用透镜组实现同轴柯勒照明系统的紧凑型设计。最后,对大靶面连续变倍显微镜系统和与之匹配的同轴柯勒照明光学系统进行设计,设计结果表明显微成像光学系统的变倍比为10×,工作距离为60 mm,物方最高分辨率为1.75µm,同轴照明均匀性为94.3%。该系统具有成像质量好、畸变小、变倍曲线平滑、体积小巧等特点,实验验证了该设计方法的可行性。

自由空间光通信光学天线系统设计

文章专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计,通过缩放法来计算光学系统的初始结构。选择卡塞格伦系统作为研究对象,该系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。通过使用Zemax软件进行模拟,文章构建了一款卡塞格伦发射系统,其特点为体积小型化且像质优良。通过对系统结构进行优化,使得光斑弥散值为2.157μm,波前差为0.0166个波长,像质优良。模拟结果显示,该系统在5 km的距离上,发射功率可达174 MW,发射效率达到了87%。文章不仅提供了一种有效的光学天线设计方法,还对光学天线的实际应用有一定的指导意义。

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。

High Accuracy Zoom Magnification Measurement

A precise zoom magnification is important for semiconductor industry and biomedical research. A novel measurement method is demonstrated for optical zoom magnification measurement in this paper. The magnification is obtained by pattern correction between barcode image formed by optical zoom and reference image generated by an ideal optical model. Measurement accuracy which is better than 0.06% has been achieved for optical zoom magnification. Compared with traditional concept, the measurement results are only dependent on two line edges. The barcode correlation method can achieve higher accuracy and better robustness by using the information over the whole field of view.

轻小型中波红外连续变焦光学系统设计

根据连续变焦理论模型,编制连续变焦计算程序,求得变焦系统初始解,建立理想光学模型,通过选材选型及迭代优化,实现仅由4片红外透镜及两片平面反射镜组成的中波红外连续变焦光学系统。该系统F#为4、工作波段为3.7~4.8mm、视场变化范围为20°×16°~2.0°×1.6°、光学零件最大口径为71 mm、零件总重64 g,系统包络为172 mm×108 mm,系统采用两个二元衍射面用于消色差,通过材料合理配置及主动补偿实现系统消热差设计。该中波红外连续变焦光学系统重量轻、总长短、包络小,在-40℃~+60℃温度范围全视场成像质量良好。

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。

15 mm~300 mm宽光谱变焦光学系统设计

变焦光学系统不仅适用于照相、监控以及显微等日常生活中,还被广泛应用于航空航天及国防建设等领域。随着应用范围的扩大,对其性能指标的要求也越来越多,该文设计了一款15 mm~300 mm的宽光谱四组元连续变焦光学系统。该系统采用正组补偿结构实现了20×的光学变焦,工作在450 nm~900 nm光谱范围,工作温度范围为-40℃~60℃;采用了18片球面玻璃镜片,总长160 mm,最大口径66 mm,长焦F数优于5,系统结构紧凑,满足小型化要求。系统在可见光波段,中心视场的调制传递函数(modulation transfer function, MTF)>0.4@145 lp/mm,全视场MTF>0.2@145 lp/mm;在近红外波段,中心视场MTF>0.45@60 lp/mm,全视场MTF>0.2@60 lp/mm。从设计结果可以看出,该设计满足高性能指标要求,对于宽光谱、大变倍比、小型化的变焦光学系统设计具有一定的参考意义。

40^(×)大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^(×)的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。

组合式激光毁伤眩目光学变焦系统的设计

1064 nm激光器与532 nm激光器不同波段激光光束通过反射镜偏转,进入光学变焦系统可对皮肤有灼烧疼痛的感觉和人眼的眩目。建立了三镜组的变焦光学系统的物理模型,推导了各镜组之间的移动规律,并进行Zemax光学仿真。变焦距光学系统通过调整光学系统参数,改变光学系统的焦距来保证光学系统动态成像的需求,实现激光毁伤和眩目。结果表明,调焦范围在128.024~129.121 mm,可实现激光对皮肤的灼伤。调焦范围在138.689~159.578 mm,可实现激光对人眼的眩目。

小型化中波红外连续变焦光学系统设计

介绍了一种三组元联动机械补偿式小型化中波红外连续变焦光学系统。针对阵列规模640×512,像元尺寸15μm的中波制冷型红外探测器,设计了焦距20~275 mm, F数5.5的连续变焦光学系统,系统长度90.6 mm。具有变倍比大、结构紧凑、元件数量少的特点,适合应用于小型化的机载光电吊舱系统以及轻量手持红外望远系统中。

大光斑激光眩目光学系统设计

针对目前全球严峻的反恐局势和大规模群体性事件的日益激增,设计一种非致命、非永久性致盲的大光斑眩目系统显得尤为重要。人眼对532 nm的波长较为敏感,因此系统选择532 nm波长的光束作为辐照光源,通过微透镜阵列和变焦系统分别对光束进行匀化和变焦扩束。利用光学设计软件Zemax对系统进行设计优化,并使用LightTools软件对系统质量进行评价分析。结果表明,大光斑激光眩目光学系统作用距离范围可达25~1000 m,光斑均匀度约为53%,作用面积为10×10 m^(2)。该技术成果在应对恐怖活动和大规模群体性事件中具有一定的应用意义。