光学变焦系统设计共42页
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超高倍变焦光学系统设计张欣婷;亢磊;吴倩倩【摘要】设计了一套焦距f'=8 mm~2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像.采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题.在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面.设计结果表明,在奈奎斯特频率50 lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)004【总页数】4页(P466-469)【关键词】变焦光学系统;超高变倍比;谐衍射;新型非球面;光学设计【作者】张欣婷;亢磊;吴倩倩【作者单位】长春理工大学光电信息学院,吉林长春130012;中国中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春130062;长春理工大学光电信息学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN251;O439引言近年来,随着光学设计理论的完善和光学工艺的进步,变焦光学系统在光学领域的应用越来越广泛,主要体现在变倍比的不断提高和成像质量的不断完善,其变倍比可达上百倍、成像质量可与定焦系统相媲美。
但是高倍变焦系统在变焦结构上有所限制,由于焦距过长,为避免系统体积过大,只能使用负组补偿、双组联动或全动型变焦结构[1-3];同时,长焦距和高倍率也会引入很大的色差和二级光谱,这些都是在进行高倍变焦系统设计时需要攻克的难关。
本文设计了一种300×的超高倍变焦光学系统,采用谐衍射元件校正色差和二级光谱;提出一种新型非球面方程,在保证成像质量的前提下减少非球面的使用数量。
谐衍射元件和新型非球面结合,解决了超高变倍比变焦系统设计中存在的一些问题。
红外变焦光学系统设计王巍;崔庆丰;费冰;杜妍;段庸【摘要】An infrared zoom optical system in the long wave 8 -12 μm region was designed. The detector was a 320×256 focal plane array (FPA) with a pixel pitch of 25 μm. The optics was a 3:1 f/1 zoom lens, the effective focal length ranges from 50 mm to 150 mm and the total length of the system was 209. 5 mm.The relative aperture was invariant during the zoom process. The system had only five elements whose material was all but germanium. By using mechanical compensation, the binary surface and aspheric surface were used to simplify the configuration; as a result, the volume was decreased and the image quality improved. The image quality evaluation result shows that the MTF is higher than 0. 5 in all field of view at the spatial frequency 20 lp/mm.%对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25 μm×25 μm),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20 lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2012(034)003【总页数】5页(P33-37)【关键词】光学设计;红外变焦;折/衍混合【作者】王巍;崔庆丰;费冰;杜妍;段庸【作者单位】长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN21引言变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化,而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径基本不变,并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。
大面阵中波红外连续变焦光学系统设计骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【摘要】A mid-wavelength continuous zoom optical system was presented for a staring Focal Plane Array(FPA) infrared detector by cooling assembly. The optical system with an optical configuration of reflect mirror fold was composed of a zoom object lens system and a secondary imaging system including seven lenses and two reflectors. On the basis of zoom principles, the systemic structure and design parameters were given by using special optical design software, then the schematic diagram and imaging quality were investigated. Finally, the performance and indexes of the system were verified. The results indicate that the system can offer a 50-500 mm continuous zoom and 100% cold shield efficiency. Moreover, the Modulation Transfer Function (MTF) in whole fields at Nyquist frequency is over 0. 35 and the whole field distortion is below 2%. These results show that the system is characterized by high resolution, thermal sensibility,excellent images and smooth zoom locus.%针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统.该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路.首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数.然后,分析了系统的像质和冷反射效应.最后,验证了系统的性能指标.结果表明:该系统可以实现50~500 mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2%,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)010【总页数】6页(P2117-2122)【关键词】红外光学系统;连续变焦;大面阵探测器;光学设计【作者】骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言红外成像系统以被动工作方式,具有抗电子干扰、隐蔽性好、图像直观、易于观察、精度高、低空探测性能好等优势,在警戒、侦察、地面防空和制导等军事领域中得到了广泛应用,从而受到各国相关研究机构及人员的关注[1-3]。
变焦系统的光学设计作者:杨欢来源:《科技风》2020年第20期摘;要:本文的可变倍扩束镜的变焦部分采用三组元的机械补偿式结构,通过参数计算、变焦方程求解以及焦距公式求解相关参数,利用ZEMAX仿真优化,其扩束比为2.5×~5×。
在定焦扩束比为4×的基础上,得到一个入射光口径为1mm,扩束比为10×~20×的可变倍扩束镜。
关键词:变倍扩束镜;变焦;光学设计1 绪论透射式扩束系统一般由球面透镜组构成,它的结构简单,改变透镜组之间的间距可实现对激光束的变倍扩束。
但是,随着系统输出的激光束口径的增大,系统的像差也会明显增加,所以这类系统适用于扩束倍率不大的激光扩束系统。
[1]变焦距系统是通过改变光学系统中各透镜组之间间距的方法来实现的,因为原焦距的物像关系会随着透镜组间距的变化而发生变化,所以在变焦的过程中,如果想要确保光学系统的原物像关系,就需要采取一种类似补偿的方法来实现。
本文选用像面稳定性较好的机械补偿式三组元作为变焦系统的基本结构,其中包含变倍组、固定组、補偿组。
[2][5]2 变焦系统的设计2.1 变焦过程推导当L1的移动距离为q时,为了保证L2的像点B与L3的焦点F3重合,我们设定L3的移动距离为e,它们的位置关系如图1。
2.2 计算变倍组和补偿组的移动距离(1)确定各组元的焦距以及各组元的初始距离:f1′,f2′,f3′,d1,d2。
(2)计算变倍组和补偿组的移动距离:q,e。
L1移动q后,L2的放大率为:m2(q)=f12′f′1=f2′f1′+f2′-(d1-q)(1)对L2列高斯公式得:1(e+d2)+f3′-1f1′-(d1-q)=1f2′(2)变形可得:e=f1′f2′-(d1-q)f2′f1′+f2′-(d1-q)+f3′-d2(3)假设入射光线高度为h1,出射光线高度为h3,那么:h1=(-f1′)(-u)=f1′,h3=f3u′(u′为L2的像方孔径角)M=h3h1=-f3′f1′m2(q)(4)变倍组做的是直线运动,其运动状态可以通过公式直接计算出来;补偿组做的是非直线运动,不能通过公式直接计算出来,需采用编程的方法来实现。
光学变焦镜头方面的书一、引言光学变焦镜头是现代摄影领域中的重要技术之一。
通过改变镜头的焦距,可以实现对拍摄对象的放大或缩小,从而获得不同的视角和画面效果。
光学变焦镜头的发展历史悠久,其原理和设计方法也经过了多年的研究和改进。
本书旨在介绍光学变焦镜头的基本原理、设计方法和应用领域,为读者提供全面、详细、深入的知识。
二、光学变焦镜头的原理2.1 光学变焦的概念在介绍光学变焦镜头的原理之前,首先需要了解光学变焦的概念。
光学变焦是通过改变镜头的焦距来实现对拍摄对象的放大或缩小。
光学变焦镜头通常由多个镜片组成,通过调整这些镜片的位置和相对关系,可以改变光线的传播路径,从而实现对焦距的调节。
2.2 光学变焦的实现方式光学变焦镜头的实现方式有多种,其中常见的包括平移变焦、旋转变焦和内变焦。
平移变焦是通过将镜头组件沿光轴方向移动,改变镜头与成像平面的距离来实现变焦;旋转变焦是通过旋转镜头组件,改变镜头的焦距;内变焦是通过改变镜头组件内部的构造,实现焦距的调节。
2.3 光学变焦的优缺点光学变焦镜头相比于固定焦距镜头具有一定的优缺点。
其中,优点包括灵活性高、拍摄角度可调节、成像质量高等;缺点包括体积大、重量重、成本高等。
在实际应用中,根据拍摄需求和具体场景,选择合适的镜头类型是非常重要的。
三、光学变焦镜头的设计方法3.1 光学变焦系统的设计要点光学变焦镜头的设计需要考虑多个因素,包括光学系统的结构、材料的选择、镜片的形状等。
在设计过程中,需要注意光学系统的成像质量、变焦范围、变焦步长等要点,以满足不同拍摄需求。
3.2 光学变焦镜头的组成光学变焦镜头通常由多个镜片组成,其中包括正透镜、负透镜、非球面镜片等。
不同类型的镜片在光学系统中扮演不同的角色,通过合理组合这些镜片,可以实现对光线的控制和调节。
3.3 光学变焦镜头的调焦方式光学变焦镜头的调焦方式有多种,常见的包括手动调焦、自动调焦和电动调焦等。
手动调焦是通过手动旋转镜头环来调节焦距;自动调焦是通过镜头内部的电机和传感器来实现焦距的自动调节;电动调焦是通过遥控器或者相机上的按钮来实现焦距的调节。
基于Matlab的变焦光学系统设计摘要:该系统通过引入二元面和非球面,改善了系统的成像质量,同时精简了系统结构,显著提高了连续变焦系统的透过率,连续变焦系统通过焦距的连续变化,对不同视场目标成像,实现探测跟踪的连续性。
关键词:Matlab;变焦光学系统设计;目前常见的变焦系统主要有两档或多档变焦,虽然结构简单,易于实现,但在切换过程中有可能致使目标模糊或丢失,影响探测跟踪的连续性。
另外,部分连续变焦系统虽然可以实现变焦的连续性,但是系统往往包含镜片较多,严重降低了系统的透过率,不利于目标的探测。
1 现状分析目前,国内只是对换挡变倍红外光学系统进行了无热化设计,方法包括机械被动式、电子主动式、光学被动式;对连续变焦红外光学系统进行了无热化设计但方法只局限在机械被动式和电子主动式。
由于连续变焦光学系统需要在一定的焦距范围内都能成像,而且在此焦距范围内的各个变焦位置必须保证工作在一定宽的温度范围内,若想到达此目的是比较难的,因此国内对连续变焦光学系统采用光学被动式的方法进行无热化设计还没有准确的报道。
2 Matlab的变焦光学系统设计(1)设计原理。
连续变焦光学系统是通过机械补偿实现变焦的,其中根据补偿组的焦距正负分为正组、负组两种补偿方式。
通常,变倍组焦距相同时,两种补偿方式相比较,正组补偿的连续变焦光学系统结构细而长,而负组补偿的系统结构短而粗,且负组补偿二级色差和球差均比正组补偿大,对小视场系统,且对球差、二级色差要求低的情况,负组补偿可以达到要求; 但对大视场变焦系统,或大倍率变焦系统,要求二级色差小,则必须采用正组补偿,属视场和孔径较大的系统,其色差和高级像差较难校正,因此本系统采用正组补偿方式实现连续变焦,由于系统要求视场角比较大,反射式结构难以满足要求,所以系统结构拟采用透射式,红外波段常用的光学材料较少,且价格贵,光学系统要消色差就必须采用多种玻璃,二元光学元件在系统中主要用于校正色差,同时可以校正其它像差,有利于简化系统结构、缩小体积和减轻系统重量,具体原理简述如下一般光学镜片的色差是由光学玻璃的材料色散特性引起的,而二元光学元件的色差是微结构衍射的波长依赖性引起的。
可变焦距机器视觉镜头光学系统设计刘巧玲;陈丽娜;余华恩;柯华恒;梁秀玲【摘要】在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。
针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数,采用机械补偿形式,利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。
该系统工作距离可以在290 m m~340 m m范围内变化,实现了焦距从10 m m~100 m m的10倍多焦点变焦。
设计结果表明:该变焦物镜最大畸变小于1%,最大兼容0.84 cm (1/3英寸)CCD图像传感器。
用调制传递函数对系统的成像性能进行评估,该系统在空间频率100 lp/m m处调制传递函数大于0.3,满足成像要求。
%In machine vision systems ,lens is mainly responsible for imaging object on photosen‐sitive surface of image sensor .Based on machine vision systems ,the mechanical compensated zoom was adopted ,the Zemax software was used to design a visible multifocal zoom lens sys‐tem that could be applied in machine vision systems to address some specific situation w hile dif‐ferent magnification were required but working distance remained unchan ged during produc‐tion .The system has the working distance from 290 mm to 340 mm andthe focal length chan‐ging from 10 mm to 100 mm ,which makes 10 times multifocal zoom possible .The results show s that for this multifocal zoom lens ,the maximum distortion is less than 1% ,and it can best hold 1/3 inch CCD image sensor .The system imaging performance was assessed by modu‐lation transfer function(MTF) ,and MTF is greater than 0 .3 at the frequency of 100 lp/mm , w hich meets the imaging demands .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】7页(P199-205)【关键词】光学设计;变焦系统;机械补偿变焦;机器视觉【作者】刘巧玲;陈丽娜;余华恩;柯华恒;梁秀玲【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN942.2;O439引言典型的机器视觉系统一般包括光源、光学镜头、智能相机、图像处理单元(或图像采集卡)、图像分析处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。
文章编号:1002-2082(2007)05-0569-05长焦距大口径连续变焦光学系统的设计胡际先(华中光电技术研究所,湖北武汉430073)摘 要: 根据某探测设备可见光通道光学系统的特点和技术指标要求,详细介绍长焦距大口径连续变焦光学系统结构形式选择、初始结构参数计算及像差平衡的方法,给出运用该方法设计的采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果。
对连续变焦光学系统进行了像质检测、实景成像及环境试验考核,其结果表明:该光学系统能满足某探测设备的性能要求。
关键词: 连续变焦光学系统;初始结构参数;光学设计;像差平衡;像质中图分类号:T N 942.2 文献标志码:ADesign of long focal length large -aperture optical zoom systemHU Ji -xian(Huazhong Inst itute o f Electr o -Optics ,W uhan 430073,China )Abstract :Based on the features and specifications of the visible optics fo r a detectio n system ,the selection of o ptical layouts,the parameter calculatio n of initial layout and the metho d of aberration balance for a long focal length,larg e-aperture optical zoom system are intro duced.T he optical system design incorporated with mechanical compensation is presented .T he im ag e quality test,scene imaging evaluation and environment test for the optical sy stem w ere carr ied out.T he test result show s that the o ptical sy stem designed w ith this method meets the system requir em ent .Key words :optical zoom system ;initial str ucture par am eter ;optical desig n ;aberration balance;image quality引言某军用光电探测设备要求探测目标距离大,对目标既能作大区域小倍率的概观,又能小区域大倍率的仔细观察,因此,要求光学系统须采用长焦距大口径的连续变焦系统。
10倍全球面红外变焦光学系统设计赵英明;杨若夫;杨春平【摘要】针对320×240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 μm~4.8μm的红外变焦光学系统.该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦.设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6,0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限.焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点.在-20℃~60℃温度范围内,成像质量满足设计要求.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)003【总页数】6页(P465-470)【关键词】光学设计;变焦系统;红外技术;非制冷焦平面探测器【作者】赵英明;杨若夫;杨春平【作者单位】电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN216红外成像技术具有抗干扰、隐蔽性好、环境适应能力强和被动工作等特点,在安全监控、刑事侦查、航空航天等领域有广泛的应用[1-8]。
非制冷型红外焦平面探测器具有体积小、适用性强、无需制冷等特点,有着良好的发展前景[9]。
随着非制冷红外焦平面探测器等红外技术的发展,非制冷型红外变焦系统应用范围会逐渐扩大。
在用于目标探测时,连续变焦光学系统通过变焦能够实现短焦搜索目标,长焦观察目标。
较大的变焦范围可以增强系统的实用性,增大相对孔径可以使红外敏感元捕获更多的能量信息并提高分辨率,在设计时考虑两者的同时也要兼顾系统的尺寸、重量、加工成本等因素。
在满足设计指标的情况下,使用数目最少的透镜和选用常见的面型是较好的设计。
文献[1]基于160×120像素非制冷探测器设计了一个10倍变焦红外光学系统,使用了8片透镜并引入了2个偶次非球面;文献[2]基于640×512像素焦平面探测器设计的10倍红外变焦系统,使用了7片透镜和2个反射镜,其中包括3个非球面,2个衍射面;文献[3]针对制冷型320×240像素红外焦平面探测器,设计了一个25倍红外变焦系统,虽然能够实现高倍变焦,但其使用了10片透镜并引入了4个非球面,结构复杂。
长焦距大口径变焦光学系统的设计摘要焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的,其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整,并且其孔径也基本上保持不变。
本文主要通过对变焦光学系统的概念和特征进行介绍,分析了变焦光学系统的原理,从而对长焦距大口径变焦光学系统在天文望远镜中的应用进行分析。
关键词长焦距;大口径;变焦光学系统随着物理光学的发展,变焦技术越来越得到普及使用,在天文学更是应用广泛,尤其是天文望远镜。
现代的天文望远镜已实现了米级、十米级、百米级口径,其焦距变化比也实现了上千、上万的升级,使得天文观测越来越具体化,细致化。
有利的推动着天文学的发展。
1 变焦光学系统概述变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的,其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整,并且其孔径也基本上保持不变。
变焦光学系统主要在于它的变焦镜头,变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。
跟固定焦距镜头不同的是,它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果,而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。
其在焦距变化的范围内可以实现无级变换,在这个范围内,任何焦距都可以进行观察和拍摄。
由于焦距的变化,因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。
2 变焦光学系统的原理变焦距光学系统主要特征在于其焦距可以进行连续的变化同时保持像面的稳定,从而能保证相同物体在一定范围内实现焦距不同的清晰像,有利于观察使用者对物体的观察分析。
变焦光学系统是由固定焦距透镜组合而成的,首先我们分析下固定焦距透镜,固定焦距透镜在对物平面进行一定的位移时,其相应的像平面和像大小也将发生位移,只有通过在两个特殊位置进行位移,即“物像交换位置”,其相应的像大小变化而像平面不发生变化,如图1。
此时的初始位置放大率将为:;在发生物像交换之后的放大率为:;这前后两个位置所得到放大率之间的比值即为变倍比:;因此,在物像交换位置上,其物像之间的共扼距是没有发生变化的,只是其变倍率产生了M倍的变化,即为原先的β12,而这两个放大率之间的位置将随着变焦倍率的变化而发生相应的位移,如图2。