具备连续变焦功能是目前先进红外热像仪的重要特征之一，而变焦凸轮是驱动连续变焦光学系统中各镜组运动的关键部件。为了设计出良好性能的变焦凸轮结构，本文首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式得到像移补偿组的轨迹曲线，然后利用序列二次规划法(sequential quadratic programming, SQP)优化算法来减小动态光学曲线的压力角，结合光机设计理论运用 Creo进行凸轮曲线生成及凸轮槽切除从而获得变焦凸轮结构。再基于有限元分析理论对凸轮结构进行分析，最终通过变焦系统运动及成像结果确认本文方法可行。
连续变焦 变焦凸轮 像移补偿 光机设计 有限元分析 continuous zoom zoom cam, image motion compensation, opto-mechanic
1 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
3 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650500
基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。
光学设计 中阶梯光栅光谱仪 宽波段 高分辨率 离轴三反光学系统 光学学报
2021, 41(22): 2212001
一款长波红外热像仪具有20︰1 的变倍比，采用机械补偿变焦方式实现热像仪18.5～367 mm范围内的连续变焦。本文对热像仪的连续变焦机构进行了设计。为保证光轴偏差满足要求，变焦机构内部的直线性和平行度、变焦机构与系统光轴间的平行度需进行精确调节。同时，通过调用温度补偿信息表可实现不同温度条件下的温度补偿和快速变焦，使热像仪具有较宽的温度范围。
长波红外 热像仪 连续变焦 光轴偏差 平行度 温度补偿 LWIR thermal imager continuous zoom deviation of optical axis parallelism temperature
红外光学系统决定着红外系统的工作模式与工作精度，影响系统的作用距离，是红外系统的重要组成部分。多视场光学系统可以用不同的视场对同一目标进行搜索、识别、跟踪与瞄准，在**应用领域获得了广泛的应用。光学系统的结构形式影响红外系统的成像质量、性能指标、外形尺寸、价格成本、机电复杂程度等，因此研究和选取合适的多视场光学系统结构形式显得非常重要。对目前国内外应用于凝视焦平面探测器的多视场红外光学系统结构形式，如切换变焦、光学补偿变焦、机械补偿变焦、混合变焦、双光路变焦等进行了特点分析，比较了其优点与局限性，对光学设计人员合理选用多视场光学系统结构形式具有一定的理论指导作用和意义。
红外光学系统 多视场 结构形式 凝视焦平面 infrared optical system multi-FOV structural form staring focal plane array
针对384×288长波量子阱焦平面探测器, 设计了一个变倍比为20×的长波连续变焦光学系统,其工作波长范围为8～9 μm, F数为3, 可实现18.5～367 mm的连续变焦。该系统由机械补偿变焦物镜和二次成像系统组成, 包括6片透镜和2片反射镜, 具有大变倍比、高分辨率、小体积、高像质等优点, 并用ZEMAX光学设计软件进行了仿真计算和像质评价, 在奈奎斯特频率20 lp/mm处, 系统全焦距范围内的MTF接近衍射极限。
红外光学系统 连续变焦 量子阱焦平面探测器 光学设计 infrared optical system continuous zoom QWIP optical design
针对无人机载用红外光学系统的特殊要求，借助二元面、非球面以及新材料硫系玻璃GASIR2的使用，针对面阵为320×240、像元间距38 μm的氧化矾探测器，成功设计了一个在－80℃～＋120℃的温度范围内完全被动消热的长波红外光学系统，系统F#为1、焦距17.5 mm、视场40°×30°、总长46 mm。与同类系统对比，其主要特点是采用的光学元件少、体积小、重量轻、像质佳。
无人机载 热成像 无热化设计 thermal imaging athermalization unmanned air vehicle
介绍了一种新颖变焦双视场长波红外光学系统设计实例, 适用于制冷型 320×256凝视焦平面探测器。通过变倍组在一次像面前后移动实现变焦, 同时实现近处景物调焦和温度补偿。该系统仅由5片透镜组成, 可实现焦距为 183 mm/61 mm两档变焦, 工作波段为 7.7～9.3 μm, F/数为3, 满足 100%冷光阑效率。具有变焦新颖、结构紧凑、像质高、透过率高、成本低等优点。
新颖变焦 双视场光学系统 一次像面 红外光学 novel step-zoom dual-field optical system intermediate image plan IR optical
介绍了一种采用中波640×512元红外焦平面探测器的红外双视场光学系统设计实例，该系统工作波段为3.7～4.8 μm，变倍比为3倍，F数为4，采用切换变倍方式实现变倍。该系统具有体积小，重量轻，分辨率高，像质高，工作温度范围宽等优点，能够很好地满足手持热像仪的实际需要。
红外光学系统 双视场 切换式 手持 infrared optical system dual field of view rotate-zoom hand-held
昆明物理研究所, Received date云南 昆明 650223
介绍了一种切换式双视场红外光学系统设计实例, 该系统工作波段为3.7～4.8 μm, 变倍比为3倍, 采用光学被动式消热技术保证系统在－40℃～＋60℃温度范围内保持良好的成像质量。该系统具有结构简单、体积小、重量轻、像质高、环境适应性好等优点。并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价。
消热差设计 双视场 切换式 athermalization dual field of view rotate-zoom
针对320×240 凝视焦平面阵列探测器，设计了一个变倍比为12×的中波光学补偿连续变焦光学系统。该系统由7 片透镜和两个反射镜构成，可实现26.7mm/80 mm/160 mm/320mm 四档变焦，工作波段为3.7～4.8 μm，满足100%冷光阑效率。设计结果表明，该系统具有结构简单、透过率高、体积小、像质高等优点。
中波红外 红外光学系统 连续变焦 光学补偿 mid-wave infrared infrared optical system continuous zoom optically compensated
