高变倍比变焦光学系统设计

设计了一套焦距f′=10mm^500mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础,通过高斯光学计算,给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面,使系统具有更大的自由度,并有效校正光学系统中的像差,减小系统复杂度,对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱,减少了透镜片数,使系统更加紧凑。分析了10mm^500mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线,计算出变倍组和补偿组的变化曲线,可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律,而且曲线的变化比较平滑,能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.6以上。

大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计

基于中波红外320×240制冷型探测器,采用机械正组补偿方式,引入衍射光学元件(DOE),并采用折叠光路,实现大变倍比中波红外变焦光学系统的小型化设计。利用变焦原理和Zemax光学设计软件给出系统结构参数,并对设计结果进行像质评价,对凸轮曲线求解等。设计与分析结果表明:系统使用6片透镜在3.7μm～4.8μm波段实现了18mm～360mm连续变焦,满足100%冷光阑匹配,在空间频率16lp/mm处MTF值均大于0.5。该系统具有大变倍比、变焦轨迹平滑等特点,可应用于机载光电侦察设备中。

红外中波连续变焦光学系统的设计

设计了红外连续变焦光学系统,该系统具有镜片少、透过率高、连续变焦倍率大、波段广、相对孔径大等突出特点.二元面和非球面的引入,使系统在不同变焦结构时14 lp/mm处的MTF均大于0.6,很好地校正了系统的色差和轴外像差.该系统在仅使用4片镜片的情况下,实现了8倍连续变焦,系统透过率高于80%.结果表明该变焦系统具有良好的成像质量.

气动驱动变厚变曲率反射镜技术

以环形线负载驱动模型为基础,分析了环形线负载驱动变曲率反射镜难以兼顾大中心形变与高精度面形保持的原因;从薄板弹性理论出发,得到了一种气动驱动变厚变曲率反射镜物理模型.理论分析表明,将反射镜的厚度分布从等厚改为变厚,并采用气压均匀驱动替代推力环环形驱动,反射镜不仅能产生大的中心形变,而且在形变过程中的面形精度也远高于环形线负载驱动变曲率反射镜的.基于超硬铝反射镜样片的试验验证了对变厚变曲率反射镜的理论分析;试验中,反射镜初始面形精度接近λ/50(632.8nm),施加0.032 MPa驱动气压产生约22μm中心形变时,反射镜面形精度依然优于λ/20(632.8nm),证明该气动驱动结合变厚设计这一技术具有较大的应用潜力.

基于480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统设计

设计了一种采用长波480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统.该系统利用机械补偿法变倍原理和非球面、衍射面进行像差平衡,工作波长范围为长波7.7-10.3μm,F数为2.62,变倍比达到15∶1.通过对连续变焦光学系统的传递函数、畸变、衍射元件、变焦曲线等性能的综合分析与评价,结果表明在变焦范围内下各个视场均可获得较好的光学性能,光学系统光路总长480mm、后截距为28mm、传递函数大于0.3、畸变小于5%.

紧凑型变焦镜头的设计

随着新型材料的出现,变焦系统的结构也发生了跃变,变焦结构向着小型化,低成本的方向发展,依据前人研究成果,利用光学软件CODEV设计了一个简单的小型变焦系统。该系统成像位置的场曲都控制在0.001以内,畸变最大也控制在0.03,具有结构简单,成像质量好,成本低等特点,经过像质评定完全满足日常生活中对取景摄像的需要。

切换式变焦系统热补偿技术的研究

针对切换式红外光学系统的长焦部分单独成像,切入一组透镜后实现短焦部分成像的特点,提出了一种对切换变焦系统的长短焦部分分别进行热补偿的方法。在-30～+70℃范围内,移动长短焦共用透镜组实现对长焦的热补偿,对此时短焦系统剩余的热差,移动短焦切换组元来实现其热补偿。设计了一个焦距180/60 mm,8～12μm,F数为2的切换变焦系统。分析了系统在不同温度时的像质,两个补偿透镜组的位移量及其数值关系。用Diffsys软件对系统中使用的衍射元件的特性进行了分析。此系统的长短焦不需要考虑各种材料搭配,转好地实现了热补偿。

基于液体透镜自动聚焦显微成像系统设计

设计一种新型自动聚焦显微成像系统,该设计在不移动显微镜或像面情况下,利用液体透镜调节显微成像系统筒镜焦距,对物距离焦进行补偿。本文介绍了微流体透镜调焦方法,理论推导出物距与筒镜焦距的关系曲线。通过ZEMAX优化,设计出一套自动聚焦显微成像系统。该系统以数值孔径为0.25的10×无穷远平常消色差显微为物镜,以液体透镜和4片球面透镜为筒镜,空间分辨率达到1.22微米,物距可离焦范围为±0.5 mm。在不同物距离焦情况下,系统光学传递函数在72 lp/mm处均大于0.2。该设计具有结构紧凑、无机械运动部件、反应速度快等特点,大幅降低了光机系统复杂性。

高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求,通过采用复合变焦光学系统结构,增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25μm×25μm非制冷焦平面探测器,设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统,光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成,通过引入衍射光学元件校正长焦端色差,工作波段为8μm～12μm,焦距变化范围为-9mm～-272.25mm,F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。

光电平台变焦镜头光机结构设计及热光学分析

针对光电对抗稳定平台中的变焦镜头进行了光机结构设计及热光学特性分析。根据30~120mm变焦要求采用凸轮机构进行结构设计。为确保工作在高低温环境下的光学系统获得高分辨率的目标图像,利用有限元方法分析了高低温环境下整机热变形与轴向温度场下变形位移,采用Zernike多项式对形变后的镜面进行拟合,带入Zemax软件分析出调制传递函数（MTF）、峰谷值（PV）、均方根（RMs）等评价函数随温度变化曲线,验证了光机设计的合理性。经过高低温可靠性实验对分析结果与变焦光学系统的温度适应性进行了验证。

变焦红外双波段投影镜头的光机热分析

为了避免环境温度变化影响红外双波段目标模拟器的投影图像质量,对其变焦投影镜头进行了光机热分析。建立了变焦投影镜头的有限元分析模型,通过对非定常的热应力问题进行准静态处理,完成了有限元模型的热分析和静力学分析,并求解出整机随温度变化的位移云图。通过有限元数据转换算法将离散节点的坐标数据转化为矢高变形数据,利用Householder算法完成了基于Zernike多项式的镜面热变形拟合,并将拟合系数导入光学设计软件,得到了不同温度下变焦投影镜头的热分析结果。结果表明,当温度在10~30℃区间时,投影图像质量对整机的热变形不敏感。

多组元全动型变焦物镜设计

为了寻找求解多组元全动型变焦系统更加简单而有效的方法,采用程序法的形式,通过给定初始参数(各组元倍率、间隔),对目标系统进行初始数据计算;然后通过给定其限制条件(正切差、变焦曲线曲率、视场角和系统总长)作为控制指令对数据进行优化;最终给出满足条件的光焦度分配,并计算出系统各组元数据参数。为了验证该方法的可行性,以四组元全动型变焦物镜为例,计算出了满足条件的系统参数,通过程序给出的初始数据在光学设计软件Zemax上完成光学系统仿真设计。将程序给出的光焦度分配与Zemax给出的焦距结果进行了对比,结果表明两者数据非常接近,从而证实了该方法的可行性。