红外显微热成像系统能够分析微小物体或局部细节的温度变化, 在工业检测、医学诊断和科学实验研究等领域已获得广泛的应用。分析了红外变焦显微光学系统的设计方法, 并基于制冷型红外探测器设计了一款成像倍率为0.5×~2×的光学系统。该系统采用机械补偿变焦方式, 以二次成像构型实现与探测器冷光阑的光瞳匹配, 在8片镜片上设计了2个非球面, 矫正了高级像差, 实现了在全倍率范围内的平滑连续变焦。通过zemax宏程序对变焦过程的分析表明, 该光学系统在整个变焦过程中运动平滑, 成像稳定, 弥散斑变化均较小。

为实现对望远镜系统中光学元件表面缺陷在线检测, 介绍了一种用于光学元件表面缺陷检测的变焦距成像光学系统, 采用机械变焦形式实现变焦功能。根据望远镜系统技术要求计算出变焦距系统的关键参数, 通过Zemax软件设计并优化得到最终结果, 整个变焦系统的设计实现了90 mm~540 mm的6倍变焦, 在变焦过程中F数和像面位置保持不变, 变焦系统总长为553.1 mm。从调制传递函数(MTF)、点列图2个方面分析了系统的成像质量, 系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3, 物方分辨率优于0.055 mm, 在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。最后对系统环境适应性进行了分析, 讨论了工作温度范围为-10℃~40℃时对系统成像质量的影响, 并给出了温度补偿方案。实验结果表明, 补偿后的系统成像质量良好, 满足实际需求。

ZEMAX和CODE V等光学设计软件, 虽然有很强的优化功能, 但如果想得到好的设计结果, 初始解的选择至关重要。求初始解的普遍做法是, 将已有的光学系统或其中某一个组元拿来进行缩放。这种办法带有盲目性。另一种方法就是利用高斯光学和三级像差理论求变焦距物镜的初始解。这一方法有助于创新设计, 但却很少被应用。本文介绍了作者在运用这一方法过程中产生的观点、理念、经验和成果。本文通过一个十倍变焦距物镜设计实例, 详细介绍了求初始解的过程, 为了验证该初始解的效果, 还用ZEMAX进行了像差优化。为了增加说服力, 设计过程的每一步, 都给出了具体的数据, 包括经ZEMAX优化得到的最后结果。

提出一种新型可变焦非球面人工复眼结构,该结构将曲面复眼划分为三个扇形区域, 不同区域内的微透镜焦距不同, 使得人工复眼能够在一定范围内实现焦距调节.通过计算及仿真分析, 对各级微透镜结构进行非球面优化, 优化后各级微透镜的球差值为优化前的1/1000, 提高了曲面复眼的边缘成像质量.采用模压成型工艺制备得到子眼个数为61,基底直径为8.66 mm的变焦距非球面人工复眼样品, 并标定各子眼的相互位置, 建立多个子眼同时识别目标的定位数学模型.搭建了人工复眼成像性能测试及目标定位测试平台进行实验验证, 实验表明人工复眼相机能够捕获清晰的圆形和十字型光斑图像, 各扇形区域内采集的图像尺寸不同, 能够实现一定范围内变焦成像.通过多个微透镜捕捉目标,利用入射角度与像点重心之间的关系解出目标点坐标, 实验结果的定位误差值在10%以内.

根据变焦距理论和显微物镜的特点, 利用Zemax设计了一款可连续变倍的显微物镜。该物镜由4组双胶合透镜组构成, 结构简单, 成像质量良好, 变倍范围在0.5×～2.5×之间, 最大数值孔径达到0.1, 共轭距346 mm, 物距76 mm, 空间频率65 lp/mm处, 全视场内的调制传递函数均大于0.3, 适用于可见光光谱, 可以与1/2 inch CCD相匹配。通过对所设计的变倍显微物镜进行公差分析, 得到一套比较宽松的公差, 适合批量生产。设计结果表明, 该变倍显微物镜可以满足工业视频检测的要求。

针对光机扫描式超大幅宽对地观测面临的地面成像畸变导致的分辨率随扫描视场增大而急剧降低的问题, 提出了一种变焦距摆扫配合可调狭缝光阑成像的方法, 推导了其在超大幅宽成像过程中需满足的变焦扫描与光阑控制关系式.理论分析表明:当系统光轴倾斜角度和狭缝大小与瞬时焦距满足对应关系时, 可有效消除地面成像畸变, 解决边缘分辨率急剧降低的问题, 实现大幅宽扫描成像过程中地面分辨率始终与星下点分辨率保持一致.此外, 设计了一套变焦摆扫成像系统, 分析证明了该方法具有较大可行性, 这对未来超大幅宽、高分辨率对地成像观测具有重要指导意义.

针对1 024×768元长波非制冷式焦平面探测器的应用需求,设计了一款4×连续变焦高分辨率光学系统,并利用ZEMAX宏语言编写的宏程序,对该系统的变焦过程进行了分析。该系统采用机械补偿变焦方式,在6片锗单晶镜片上设计了3个非球面和1个衍射面,矫正了高级像差,实现了在25～100 mm范围内的平滑连续变焦,视场角可达32°×24.3°～8.2°×6.15°；从宏程序输出的变焦凸轮曲线、弥散斑变化曲线和视场畸变变化曲线上看,该系统在整个变焦过程中运动平滑、成像稳定、弥散斑和视场畸变变化均较小。综合而言,该系统具有结构紧凑、相对孔径大( F#/1～1.4)、视场畸变小、成像质量高、变焦凸轮机构加工难度小,具有较高的应用价值。

变焦距光学系统在校正像差的同时还必须满足像面稳定的要求, 补偿或消除由于光学系统中各组元的运动所造成的像相对接收器的偏移。利用动态光学稳像原理, 推导变焦距光学系统的稳像方程, 建立变焦距光学系统的数学模型, 设计光学系统的凸轮曲线。给出了变焦距物镜的动态分析过程, 利用光学设计软件CODE V最终得到了一个变倍倍率为8.15×, 焦距范围为27 mm~220 mm的变焦距物镜, 光学系统F#数为固定值4.2, 视场为4.12°~33.56°。给出了凸轮曲线的计算方法及CODE V成像质量分析结果和MTF等。

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计, 研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法, 设计了一个焦距30～150mm, 长波红外工作波段在8～12μm, 相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统, 并进行光学被动消热差设计, 使系统在-30℃～60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理, 成像质量满足要求, 通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。