利用镜面形变实现共轴折反射式变焦光学系统设计

工程光学大作业一种长焦距远摄物镜光学结构介绍二零一二年六月摘要大口径长焦距远摄物镜光学结构，折反射主镜(2)位于反射主镜(3)前端，其特点是：在折反射主镜(2)的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜(1)。

本实用新型可使光学仪器短镜身、口径大、焦距长、并可采用普通光学材料制成反射镜、其镜面形状均为球形，极易于生产加工，具有低球差、低彗差、高分辨率的成像质量。

关键词：远摄镜头；光学系统；复消色差一种长焦距远摄物镜光学结构简介绍一、相关领域研究背景二十世纪电子工业的发展达到了一个新的高峰，光的特质性越来越体现其运用的广泛性。

光电结合的产品一数码相机、激光设备等正在不断的发展和完善，现代光学在国防、航天等各个方面如激光信息元件、光电子应用领域已非常很广泛。

光电子信息处理产品包括数码照相机、照相手机、扫描仪、激光读取头、多媒体投影仪、投影电视、网络摄像头等，光学在电子领域的运用已经不断的冲击传统光学领域每一种产品，如何将光学传统产业如照相机、望远镜等合理的与现代光电子学进行接洽、融合是传统光学设计的一大难点。

二、具体光学结构介绍本文所介绍的物镜由折反射主镜、反射主镜、转向机构和镜头简体组成，折反射主镜位于反射主镜前端，其特征是：在折反射主镜的前端还设置有一分离式的，至少一面为曲面的修正透镜；修正透镜所具有的曲面均为球面；修正透镜既可以是一面为凸球面一面为凹球面，也可以是一面为平面一面为凸球面。

本物镜的修正透镜与折反射主镜有效口径D 一致，其有效口径D 范围为60—300ram,其中优选相对口径为D ／F ：1／6～1／10；本实用新型修正透镜与折反射主镜的间隔距离为，t H H L R R ++=32。

该公式中，2222)2/(2D R R H R --=，2233)2/(3D R R H R --=，;50~0mm t =其中：2R 为修正透镜的第二面半径，R3为折反射主镜的第一面的半径，2R H 为2R 面的弧高，3R H 为3R 面的弧高， D 为修正透镜的有效口径，t 为间隔的最合理变化区域。

r2 = 2
1 m30
-m30-
1 m3
+m3
r3 2
(9)
1.2 反射变焦系统初始结构求解
当 已 知 m20，m30，m2 时 ，根 据 公 式(9)，可 以 求 得 ：
2
m3 -bm3-1=0
(10)
其中
≤ ≤ b=- r2 r3
m2-
1 m2
-m20+
1 m20
+(m30-1/m30)
根 据 公 式(10)知 m3 存 在 两 个 可 能 解 ：
-m20
r2 + 2
1 m30
-m30
r3 2
(7)
次镜和三镜在移动后共轭距之和为：
≤ ≤ ≤ ≤ L2+L3=
1 m2
-m2
r2 + 2
1 m3
-m3
r3 2
(8)
次 镜 和 三 镜 在 移 动 前 后 共 轭 距 需 保 证 相 等 [6]， 得 ：
≤ ≤ ≤ ≤ 1 m20
-m20-
1 m2
+m2
(Tianjin Key Laboratory of Optical Thin Film, Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics, Tianjin 300192, China)
Abstract: With the limit of IR optical materials, it is difficult to design athermalized refractive zoom IR optical systems with a simple configuration. All-reflective zoom IR optical systems could be lightweighted, compact and free of chromatic aberrations, whose athermalization is easy, and reflective optical systems can be unobscured by offsetting mirrors. Basic theory of reflective zoom optical systems was discussed. Gauss solution of initial configurations of reflective zoom systems was analyzed, and the method of calculating initial configurations was given. An off-axis three-mirror reflective zoom IR optical system was designed, whose effective focal length varied from 300 mm to 600 mm, F number is 2.1, and working wavelength was between 8 μm and 12 μm. The system used an uncooled LWIR detector with a cutoff frequency as 14 lp/mm. The reflective zoom system has a stable image plane and good imaging quality, whose process of zooming is linear continuous. Key word: infrared optical system; zoom system; reflective mirrors

3.7～4.8µm红外二次成像折反射式光学系统设计李 卓，叶宗民，孙保杰，刘文鹏（中国人民解放军91404部队，河北秦皇岛 066000）摘要：为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求，提出以RC结构为设计基础，通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。

为达到优化设计目的，结构中引入了二次成像中继镜组，解决了100%冷光阑效率问题。

通过ZEMAX建立评价函数，仿真测试表明：设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200mm，焦距380mm，结构紧凑简单，成像质量满足实际测量需求。

关键词：中波红外；光学系统设计；折反射式光学系统；二次成像中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2021)12-1193-05Design of a 3.7～4.8µm Catadioptric Secondary Imaging MWIR Optical Sy s temLI Zhuo，YE Zongmin，SUN Baojie，LIU Wenpeng(PLA Unit 91404, Qinhuangdao 066000, China)Abstract: The system is based on an RC structure to measure the optical characteristics of small targets and space targets. The initial structure of the reflective optical system was established by calculating the curve equation and the Gaussian formula. The re-imaging relay lens group was introduced into the structure of the system to realize the optimal design, which solves the problem of 100% cold diaphragm efficiency. The imaging quality was evaluated using Zemax, and a system with a focal length of 380 mm and a diameter of 200mm is not only compact and simple, it also meets the actual measurement requirements.Key words: MWIR, optical system design, reflective optical system, re-imaging0引言目前，空间目标的光学特性测量、侦查预警及目标识别等方面的研究逐渐受到各国军方的关注与重视。

长焦距RC型折反射光学系统设计本文研究内容是在前人这么多已经成型的折反射系统中加入R-C系统。

卡塞格林系统没有轴外视场,而R-C系统除了零视场之外,再增大一些视场,成像质量仍然很好。

评价一个光学设计的好坏,一方面要看它的光学特性和成像质量,另一方面还要看结构的复杂程度。

在满足光学特性和成像质量要求的条件下,系统的结构最简单,这才算是一个好的设计。

R-C型折反射光学系统可以折叠光路,使系统结构紧凑,起到缩小体积,减轻重量的作用。

所以此系统一般应用在大型光学系统和空间光学系统中。

2 R-C型折反射光学系统的原理R-C系统是由两个双曲面反射镜构成,主次两个双曲面镜可以校正球差,彗差和场曲。

R-C系统能够校正轴外视场的像差,在较大视场内获得较高的成像质量,避免在像的中心产生模糊。

在焦面处放置一校正镜时,可以同时校正像散和场曲,而且校正镜不会带来球差和色差,使系统成为无像差系统。

3技术指标和原是结构计算3.1 技术指标焦距f=5000;视场2w=0.25。

;光圈数F=10;波长范围510～656.3nm;中心遮拦比为1/3;畸变小于1%;每毫米100线对的MTF 值大于0.3。

3.2 原始结构的计算设轴向光束在主镜的光线高度为h1,在副镜的光线高度为h2, d为两个反射镜之间的距离, 为副镜到像面之间的距离, 为副镜的垂轴放大倍率;其中,焦距, 可以自由取值-1.8～-2.3之间。

通过对技术指标的分析与研究,以及具体公式的运算:(3-1)4 原始结构的确立和像差校正4.1 原始结构的确立因为RC系统的两个反射镜均是非球面的双曲面反射镜,所以原始数据中应该设有非球面系数;又因为双曲面的非球面系数为小于-1的数,因为原始数据不能满足设计的要求,所以必须要在原始数据的基础上进行修改,优化和调整。

由于折反射系统中必须设置遮拦,那就是在RC系统中设置中心遮拦。

在初始结构中,我把孔径光阑设置在副双曲面镜位置上,而在副镜面位置处要设置一个虚平面,记为第一面。

激光变焦扩束光学系统设计
激光变焦扩束光学系统是一种用于激光束的焦距和扩束半径调节的光学系统。

下面是一些激光变焦扩束光学系统设计的关键要点：
1. 透镜组设计：激光变焦扩束光学系统通常包含多组透镜，以实现对激光束的聚焦和扩束功能。

设计时需要考虑透镜组的组合，以及透镜的曲率半径和透镜间距等参数。

2. 光束扩束：为了实现光束的扩大，可以使用凸透镜或凹透镜来改变光束的发散角度。

广角透镜通常用于扩大光束，而窄角度透镜则用于聚焦光束。

3. 光束聚焦：为了实现光束的聚焦，系统可以使用具有更大折射率的透镜来提高光束的聚焦效果。

光束的焦点位置可以通过调整透镜与光源之间的距离来调节。

4. 自动聚焦系统：在某些应用中，可能需要实现自动聚焦功能。

这可以通过添加传感器或探测器来实现，以测量光束的强度或相位变化，并相应地调整透镜位置来保持光束的聚焦。

5. 光线控制：为了优化光束的质量和形状，可以使用光线控制器，如液晶光学器件或波片。

这些器件可以用来调整光束的相位和偏振状态，以实现更精确的焦散效果。

6. 光束评估：在设计过程中，需要对光束进行评估和测试，以确保所设计的系统具有所需的光束质量和性能。

常用的评估方
法包括光束直径测量、波前畸变测量和功率均匀性分析。

7. 材料选择和涂层：透镜和其他光学元件的材料选择非常重要，以确保系统具有所需的光学性能和耐用性。

此外，表面涂层也需要进行优化，以减少反射和散射，提高光束的传输效率。

总之，激光变焦扩束光学系统设计需要综合考虑光学元件的布局、透镜参数、光束聚焦和扩束方法，以及光束控制和评估等因素，以实现所需的聚焦和扩束效果。

ｓ ｔ ｍ ｏ ｅ ｓ ｒ ｈ ｍａ ｎ ａ ｉｙ ｏ ｈ ｐｔｃ ｌｓ ｔ ｍ ｈｒ ｕｇｈ ｏ ｉ ｉｉ ｇ ｔ ｏ ｅ ｓ ｏ ｍ — ｙｓ ｅ ｔ ｎ ｕ ｅ ｔ ｅ ｉ ｇｉ ｇ ｑｕ ｌｔ ｆ ｔ ｅ ｏ ｉａ ｙｓ ｅ ｔ ｏ ｐｔｍ ｚ ｎ ｈｅ ｃ ｎｖ ｒ ｅ ｚ ｏ ｏｂ
ｕ ｅ ｏ ｖ ｒｅｚ ｏ ｏ ｊ ｃｉｅ ｓ ｄ ａｃ ｎ ｅ ｓ ｏ ｍ ｂｅ ｔｖ ．Ｔｈ ｗｏ ｓ ｇ ｎ ｓｗｅｅ ａ ｓ ｍｂｅ ｔｔ ｅｆｒｔｉ ｇ ｎ ｆｔ ｅ ｏ ｔｃ ｌ ｅｔ ｅ ｍｅ ｔ ｒ ｓ ｅ ｌｄ ａ ｈ ｉｓ ｍａ ｉｇ ｏ ｈ ｐ ｉａ
的 结 构 来 满 足 大 口径 的要 求 ， 端 光 学 系统 采 用 将 变 焦距 物 镜 倒 接 的 方 式 ， 系 统 的 一 次 像 面 处 进 行 组 合 ， 过 对 后 端 后 在 通
倒 接 变 焦 距 物 镜 的优 化 设 计 来 保 证 系统 的 成 像 质 量 。用 具 体 的 实 例 验 证 说 明 了该 项 设 计 ， 果 表 明 这 种 设 计 方 法 是 可 结 行 的， 系统 结构 简单 紧 凑 ， 决 了大 口径 光 学 系 统 难 以 实 现 连 续 变 焦 的 问题 。 解 关 键 词 ： 焦 距 物 镜 ； 学 系统 ； 口径 ； 像 质 量 变 光 大 成
大 口径 折 反 射 式 变 焦 距 物 镜 的设 计
崔继承
（ 中国科学院 长春光学精密机械 与物理研 究所， 吉林 长春 １０３） ３０３
摘 要 ： 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 ， 端光 学 系 统 采 用 反 射 式 介 前

折返镜头原理一、引言在摄影的世界里，折返镜头以其独特的魅力吸引着无数的摄影师。

它不仅提供了卓越的光学性能，还为摄影师们带来了无限创意的可能。

本文将详细介绍折返镜头的原理，帮助大家更好地理解这一神奇装置的工作方式。

二、折返镜头的工作原理1. 光学结构：折返镜头采用了反射镜技术，能够在拍摄时实现光线的多次折射和反射。

这种设计使得光线能够从一个方向进入镜头，最终从另一个方向射出，从而达到聚焦的目的。

同时，折返镜头通过缩小光路长度，降低了像差和其他成像问题，从而提高了图像质量。

2. 光轴切换：当光线经过镜头组件聚焦于感光元件上时，可通过折返镜头系统中的反射镜进行90度旋转，从而改变光路的传播方向，实现拍摄画面的快速切换。

这样的操作有效地缩短了物距，并增大了放大倍率，这对于近距离拍摄和微距摄影非常有利。

3. 二次曝光：折返镜头在进行对焦操作时，采用两次曝光的技术来保证清晰成像。

首次曝光用于捕捉主体，第二次曝光用于完成背景的虚化，从而实现焦点与背景的有效分离。

这大大增强了画面层次感和立体感。

三、应用场景及优势折返镜头适用于各种拍摄环境，尤其适合拍摄小物体、静物、微距以及风景等题材。

其二次曝光的特性使其在某些特定情况下表现出色，如需要突出主题或弱化背景干扰的情况。

此外，由于折返镜头具有较小的体积和重量，携带方便且易于使用，因此也深受旅行者和专业摄影师们的喜爱。

四、结论总的来说，折返镜头是一种独特而强大的摄影工具，它的工作原理及其特点使它在许多场合都能发挥出色表现。

无论是初学者还是资深摄影师，了解并善用折返镜头的原理和特性都将有助于提升你的摄影技巧和创造力。

希望这篇文章能帮助你更深入地理解和欣赏折返镜头这一神奇的摄影器材。