西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室陕西省光信息技术重点实验室， 陕西 西安 710129
为了满足长波红外（LWIR）热像仪在宽温度范围下连续变焦的需求，基于LWIR 320 pixel×320 pixel型红外探测器，设计了一款非制冷长波红外连续变焦光学系统。该系统可在宽温度范围下实现无热化，采用常见的硫系玻璃，工作波段为8~12 μm，总长为200 mm，仅由7片透镜组成。通过引入偶次非球面，可以使系统色差和轴外像差得到良好的校正，同时选用后固定组的最后一片透镜充当温度补偿组来调节焦距实现无热化。分析结果表明，该系统结构紧凑，可以在40~60 ℃温度范围内和60~180 mm焦距范围内连续平滑变焦，并且全程成像质量良好（调制传递函数在20 lp/mm处均大于0.3），变焦和公差也具有良好的可实现性。
光学设计 红外变焦系统 长波红外 像质评价
1 中国北方车辆研究所 武器控制系统技术部，北京 100072
2 陆军北京军代局，北京 100071
连续变焦系统是一种能够进行连续视场变换的光电成像装置，可对目标进行连续探测和识别，具有快速、稳定的特点。针对其高精度，高稳定控制需求，提出一种分数阶PID（proportion integration differentiation）控制器设计方法，该方法利用内模控制策略构造含有3个整定参数的分数阶PID控制器，且这3个参数通过给定系统穿越频率和相位裕度获得，大大简化了分数阶PID控制器的设计，同时提高了控制器的可实现性。在Matlab平台同传统整数阶PID进行了控制效果对比，仿真结果表明：分数阶PID控制器将稳态误差由0.1 mm提升至0 mm，具有抗干扰性强、鲁棒性强、数字实现后无超调、静差小的特点。最后将数字分数阶PID应用于实际的连续变焦系统，系统可获得清晰稳定的图像，验证了控制策略的有效性。
连续变焦系统 分数阶PID 内模控制 伺服控制 continuous zoom system fractional-order PID internal mode control servo control
长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
针对传统变焦腹腔镜调焦结构所需空间大、调焦精度难以保证等问题，提出了一种以液体透镜为核心元件参与变焦的腹腔镜光学系统，利用液体透镜代替机械变焦结构，实现了变焦功能。推导了液体透镜电压与焦距的关系方程，结合COMSOL软件设计并仿真了满足所需焦距范围的双液体透镜。用ZEMAX软件设计优化了腹腔镜液体透镜变焦光学系统，通过控制电压即可实现焦距5~15 mm范围内同一像面高清晰成像。在焦距15 mm时，全视场点列图均方根（RMS）半径为6.694 μm，在焦距5 mm时，全视场点列图RMS半径为4.596 μm，均小于7.4 μm的像元尺寸。系统调制传递函数（MTF）在68 lp/mm处均大于0.5，4个组态（焦距分别为5、7.2、10.4、15 mm）畸变分别为7.047%、1.961%、0.732%、0.295%，满足腹腔镜对光学系统畸变的要求。
光学设计 变焦系统 液体透镜 腹腔镜 COMSOL ZEMAX 中国激光
2023, 50(21): 2107204
1 云南师范大学物理与电子信息学院，云南 昆明 650500
2 云南省光电信息与技术重点实验室，云南 昆明 650500
设计并制备了一种具有较大变倍比及较高成像质量的充液式连续变焦微型柱透镜系统。该系统由埋入聚二甲基硅氧烷基片的两片对称弯月柱透镜及一片双凸柱透镜构成：两弯月柱透镜边缘位置胶合形成空腔，改变注入其中的液体折射率，可实现柱透镜系统的连续变焦；双凸柱透镜的优化设计可控制柱透镜系统整个变焦范围内的像差。当柱透镜系统中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时，可实现系统后焦距由52.292~4.972 mm的连续平滑变化。整个变焦范围内，柱透镜系统径向弥散斑均方根半径始终小于5 μm，接近衍射极限。对柱透镜系统的可能公差进行了详细分析，证实了该设计的可行性，并完成了透镜系统的加工制备及后焦距、调制传递函数曲线的测量。该变焦系统具有变倍比高、体积小、结构简单稳定、成像质量高等优势，可用于集成化的微型设备中。
光学设计与制备 变焦系统 液体柱透镜 成像质量 光学学报
2023, 43(14): 1422004
1 中国航天员科研训练中心，北京 100094
2 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
3 北京理工大学，北京 100081
针对新一代光电吊舱对轻小型长焦距高清红外变焦成像系统的迫切需求，采用分辨率为1280×1024、像元尺寸为15 μm大面阵中波制冷红外探测器，设计了一款变倍比为48、焦距范围为25~1200 mm的中波红外连续变焦光学系统。为了实现小型化设计，采用二次成像、正组机械补偿、平滑换根、结合后组温阑切换变F数，以及光路巧妙折转的设计思路及方法，在保证100%冷阑效率的同时，实现了红外变焦系统的大变倍比与小型化设计。结果表明，该光学系统在-40 ℃~+60 ℃温度范围内具有良好的成像质量，且光学最大口径为230 mm，光学总长仅为350 mm，该系统具有结构紧凑、变倍比大、焦距长、分辨率高、成像质量良好等优点，可满足新一代红外成像系统的要求。
光学设计 红外变焦系统 中波红外 机械补偿 温阑 小型化 光学学报
2023, 43(12): 1222002
1 凯迈(洛阳)测控有限公司, 河南 洛阳 471009
2 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题, 基于机械正组补偿式连续变焦结构形式, 通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统, 避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8～12 m、F数为1.2、焦距为25～90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明, 该系统结构合理、成像良好, 在探测器对应的特征频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.2, 满足应用需求。加工装调后, 经实际成像测试, 验证了设计的准确性。
防辐射 非制冷红外 连续变焦系统 光学设计 radiation-proof uncooled infrared continuous zoom system optical design
四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610064
稀疏孔径光学成像系统有固定的填充因子和确定的传函特性。为提高系统成像性能, 增强其中频信息, 分析了变焦结构对离散稀疏孔径系统成像的影响, 推导了焦距、填充因子、调制传递函数(MTF)之间的关系式。设计了一个焦距为2857~4000mm范围内可变焦稀疏孔径成像系统。成像特性分析表明, 系统焦距变小, 填充因子随之增大, MTF截止频率减小, 但MTF中频响应增强。通过图像融合将大填充因子清晰的中频条纹信息用于补偿小填充因子缺失的中频信息, 仿真成像结果证明, 不同填充因子下得到的图像通过融合后可有效提高整体图像各频段的成像质量。
变焦系统 稀疏孔径成像 填充因子 调制传递函数 图像融合 zoom system sparse-aperture imaging filling factor modulation transfer function image fusion
长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
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。
光学设计 外视镜 变焦系统 显微外科手术 optical design exoscope zoom system microsurgery 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210808
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高，对发射和接收光学系统提出了新的要求，需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1 550 nm光通信波段的收发一体光学系统，发射与接收模块共用部分光路，以减小接收视野盲区，同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题，将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×～3.5×的连续可调结构；使用两组双胶合透镜进行色差校正，以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化，系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad，出射光斑直径在6.26 mm～10.20 mm连续可调，对于50 m内的测量目标，照射光斑直径均小于20 mm，且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。
光学设计 激光测距 收发一体系统 变焦系统 optical design laser ranging transceiver integrated system zoom system
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对传统变焦光学系统在环境温度变化的情况下,变焦全程无法一致清晰成像以及需频繁调焦的问题,提出了一种光学被动半无热化变焦系统设计方法,并设计了一种光学被动半无热化变焦系统。变焦系统的焦距为30~1000 mm,工作波段为486~656 nm,光圈为F4.4~F8,短焦采用光学被动无热化设计。变焦系统的成像质量良好,结构非常紧凑,在工作温度范围为-40~+60 ℃的情况下,只需长焦位置调焦一次,即可保证从长焦到短焦的变焦全程一致清晰成像,中间过程无需再调焦,且温度调焦量仅为-0.56~+0.82 mm,这验证了设计方法的正确性。采用本方法设计的变焦系统既克服了传统变焦系统在不同温度下需频繁调焦的问题,也极大减小了系统的温度调焦量,有利于快速调焦。
光学设计 光学变焦系统 光学被动无热化 像面一致性 调焦
