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。     

机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计

针对机载双波段共口径光电瞄准系统反射式成像存在中心遮拦与装配难度大的问题,设计了一种前置光路折射式成像的共口径光学系统。应用二组元变焦理论对光学系统的初始结构进行了计算。基于最小可分辨温差（MRTD）模型分析了红外系统的作用距离,根据瑞利判据对系统前向像移进行了补偿残差分析。机载双波段共口径光电瞄准光学系统工作在0.38~0.76 μm的波段内,实现了36~180 mm的5×连续变焦,工作在3~5 μm的波段内,实现了三视场变换,三视场三档焦距之比为3,F数为4。设计结果表明,在?40~60 ℃的工作环境中,光学系统经过光学被动式无热化处理,满足系统成像质量要求。     

三组联动长波连续变焦红外光学系统

介绍了一种采用机械补偿三组元联动结构形式设计的紧凑型长波红外连续变焦光学系统。针对阵列规模1024×768,像元尺寸12μm的非制冷长波红外探测器,设计了焦距25～150 mm,F1.4的长波红外连续变焦光学镜头,其光学总长155 mm,结构长度132.7 mm,在-40～+60℃温度范围内采用系统内调焦镜组进行补偿,适用于小型化的吊舱、手持型红外设备以及类似场景下的应用。     

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。     

基于Warping Harness的半主动光学技术发展研究

半主动光学支撑是介于主被动支撑之间的一种调节镜面低频误差并提升支撑系统建造性价比的技术,本文回顾了该技术在地基大口径望远镜中的应用,陈述了其发展历程并总结三种Warping Harness结构形式及工作原理。分析并总结空间、球载、机载领域典型型号望远镜主镜系统结构参数及主镜面误差源,简单描述了船载、车载光电设备的结构组成和工作状态,分析了车、船载光电设备主镜面形影响因素。对基于Warping Harness的半主动光学技术在空间、球载、机载大口径望远镜和车载、船载大口径光电设备等领域拓展性开展了分析。最后对未来国内应用于大口径望远镜的半主动光学支撑进行了展望。     

高变倍比全动型变焦距光学系统设计

为了提高变焦距系统的变倍比、扩大系统的视场,同时简化系统的结构,采用多组全动型机械变倍补偿形式,同时对系统的前组进行复杂化设计。选取10个焦距位置进行设计计算,设计了焦距7.0～1 400.0 mm,视场0.25～47.44的200倍连续变焦距系统。整个系统由6组19片透镜组成,系统具有超大变倍比,大视场等特点。结果表明:多组元全动型变倍补偿形式对于实现大变倍比和简化系统结构是十分有效的。通过对设计结果以及凸轮拟合曲线分析,整个系统成像质量达到设计要求。     

基于折/衍混合的机载红外光学系统设计

为实现机载红外光学系统大口径、长焦距、轻量化、高像质、非热敏化的技术要求,通过对反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,选取卡赛格林光学结构型式,提出一种基于折/衍混合的机载大口径长焦距非球面红外光学系统。经过初始结构计算,并利用ZEMAX软件进行优化,设计出一款焦距1200 mm、口径260 mm的折/衍混合红外光学系统,遮拦比18%,在空间频率10 lp/mm处,调制传递函数(MTF)达到0.45,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在20μm以内,在-50^+70℃温度范围内实现非热敏化。该系统结构简单,由两个反射镜和一组透镜组成,设计结果满足各项任务指标,对机载红外光学系统的进一步研制具有重要意义。     

TMT三镜面形评价过程

TMT 望远镜是一台R-C 式的30m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594m2.568m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT 项目组要求面形结果需优于1/5波长(=632.5 nm) 或者斜率均方根小于1 rad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT 三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18 点whiffletree 结构形式,侧支撑采用8 点A-frame 结构形式。首先通过ANSYS 建模仿真,然后使用MATLAB 进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9 个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT 三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。     

米级车载高分辨率光电成像系统光学设计

研究了一套能实现机动式布站的米级车载可见光和红外高分辨率光学成像系统新方案.主系统口径1.2 m,采用无焦卡塞格林形式,遮拦比1∶10;机上中、长波红外成像通道采用共口径光谱分光、二次成像的形式,冷阑匹配效率100％,F数为4;机下成像光学系统焦距47 m,F数为39,光学设计满足高分辨率与白天成像的要求,且成像质量达...     

大变倍比长波红外连续变焦光学系统设计

针对长波制冷式384×288焦平面探测器,设计了一款大变倍比长波红外连续变焦距光学系统。整个系统由8片透镜及两个反射镜构成,工作波长范围为7.7～9.3 m,F数为3,满足100%冷光阑效率,变倍比为25:1。采用CODE V光学设计软件进行优化设计,设计结果表明,该系统具有结构简单、变倍比大、体积小、像质好等优点。     

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.     

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。     

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。     

双孔径红外变焦光学系统设计

为了解决红外变焦系统短焦部分冷反射严重的问题,提出了一种双孔径设计方法,设计了一种双孔径红外变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7 ～4.8 m,焦距为30/150/300 mm,10变倍比,具有100%冷光阑效率。对双孔径系统的短焦部分和单孔径系统短焦部分的冷反射强度进行了对比分析,双孔径系统的冷反射得到有效控制。双孔径红外变焦光学系统具有像质好、变倍比大、短焦冷反射小、结构紧凑的特点,可使大变倍比的红外变焦光学系统在红外成像系统中得到广泛应用。     

Φ4m口径凹抛物面镜折反零位补偿检验

折反射式零位补偿检验是一种综合了Offner折射式和Maksutov反射式补偿检验优点的凹非球面检验方法,补偿能力强,检测光路紧凑.大口径和大相对孔径非球面检验是制约其加工质量提高的难题,针对口径为4m、偏心率为1、顶点曲率半径为16 m的大口径凹抛物面反射镜,设计了折反射式零位补偿器.基于三级像差理论对补偿器的初始结构进行了规划和计算,采用Zemax软件对初始结构参数进行了优化,得出了补偿器的最终结构,检验光路轴向尺寸约12 m,系统优化后剩余波相差为0.005λ.设计和仿真结果表明,这种折反射式零位补偿器对大口径凹菲球面镜的加工检测是非常有利的.     

两档变焦面阵扫描红外光学系统设计

提出了一种三次成像红外两档变焦面阵扫描光学系统,在传统红外二次成像光学的基础上,增加了两档变焦的前置望远系统,通过变焦组单一组元沿光轴方向移动,来实现两档焦距切换。变焦组沿光轴方向的微调,可实现不同工作温度的补偿与不同物距的清晰成像。在中间平行光路中,引入振镜,通过振镜以特定频率进行相应角度范围的往返扫描,来补偿由于扫描平台转动带来的曝光时间内的物面的移动,保持系统在旋转扫描时成像清晰与稳定,没有拖影。系统结构紧凑,可实用于两档变焦搜索与跟踪一体的红外系统中。     

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。     

30×中波红外连续变焦光学系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了30×中波红外大倍率连续变焦光学系统。详细介绍了连续变焦光学系统的选型及其初始结构的计算方法。系统采用硅和锗两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,实现了30～900mm的连续变焦,F数为4,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率,在空间频率为16 lp/mm处,系统MTF值大于0.5。系统具有变倍比大,结构紧凑,光学总长短和全焦距范围内像质好,分辨率高等优点,满足设计要求。     

紧凑型双视场可见光镜头设计

为使观瞄系统以简单、紧凑结构实现探测、识别目标功能,选用光学补偿法设计紧凑型双视场可见光镜头。首先,根据视场、作用距离指标完成相机选型和焦距计算,依据已选相机像元尺寸和最低照度计算F数,并分析双视场光学系统的特点;其次,对比常规的光阑位置固定方案与光阑位置切换方案,得出后者在实现光学总长、最大通光孔径、变焦行程有效压缩的同时,可以实现更大的相对孔径和更好的像质;最终,选用光阑位置切换方案设计了由11片透镜构成,光学总长为150 mm,最大通光孔径为Φ42 mm,变焦行程为35.97 mm的紧凑型双视场可见光镜头。该镜头短焦焦距为32 mm,F数为2.3,满足水平视场角不小于12°、探测距离不小于5 km的要求;长焦焦距为126 mm,F数为3,满足水平视场角不小于3°、畸变小于0.5%、识别距离不小于5 km的要求。设计结果表明,对于焦距32 mm和焦距126 mm,全视场调制传递函数（MTF ）均大于0.45,全视场点列图的均方根 （RMS）直径小于或接近4 μm,整体像质良好。公差分析结果表明,在135 cycles/mm处,全视场MTF大于0.3的概率达到90%以上。     

坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计

针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的需求,设计了一种红外变焦光学系统。该系统采用320×240元非致冷焦平面阵列探测器,在8～12μm波段,系统变焦范围为60～240mm,F数为2。通过对系统的优化设计,当最大截止频率为17lp/mm的时候,各视场的MTF调制传递函数均接近衍射极限,成像质量良好,并且系统具有大相对孔径以及结构紧凑等优点,满足了坦克目标跟踪识别的实际应用需求。