作者单位
摘要
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 optical design zoom system liquid lens laparoscope COMSOL ZEMAX 
中国激光
2023, 50(21): 2107204
作者单位
摘要
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 optical design and fabrication zoom system liquid cylindrical lens imaging quality 
光学学报
2023, 43(14): 1422004
吴海清 1,2,*谈大伟 1,2
作者单位
摘要
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 
红外
2023, 44(2): 1
作者单位
摘要
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 
光学技术
2022, 48(6): 647
作者单位
摘要
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
作者单位
摘要
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 
应用光学
2022, 43(2): 191
闫阿奇 1,*崔雯 1,2董森 1
作者单位
摘要
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 optical design optical zoom system optical passive athermalization image consistency focusing 
光学学报
2022, 42(4): 0422001
陈潇 *
作者单位
摘要
南京邮电大学通达学院, 江苏 扬州 225127
随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象, 一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计, 而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理, 提出一种变焦光学被动式无热化设计方法, 并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为 25/50 mm(变倍比为 2:1), 工作波段为 8~12.m, F数为 0.9, 可匹配 640×512, 像元为 17.m×17.m的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用 3种红外光学材料(硫系玻璃 HWS6、硒化锌和锗)组合, 并引入 3个偶次非球面, 实现变焦无热化设计。设计结果表明: 该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性, 在空间频率 30 lp/mm处, -50℃~80℃温度范围内各视场 MTF均大于 0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好, 在红外车载领域有着广泛应用前景。
变焦系统 光学被动无热化 硫系玻璃 大相对孔径 zoom system passive optical athermalization chalcogenide glass large relative aperture 
红外技术
2021, 43(12): 1183
作者单位
摘要
1 凯迈(洛阳)测控有限公司, 河南 洛阳 471009
2 洛阳建工集团有限公司, 河南 洛阳 471009
为适应机载光电系统对红外热像仪光学系统小型化、轻量化的要求, 采用前端无焦扩展倍镜与后端连续变焦光学系统组合的方式, 实现了 30~660 mm的 22倍连续变焦光学系统。该系统的光学总长为 244 mm, 总长/最大焦距比为 0.37, 系统具有光学总长小、变倍比大的特点, 适用于远距离目标探测的大型机载光电吊舱系统中。将前端无焦扩展倍镜去掉后, 后端连续变焦光学系统可以实现 15~330 mm的 22倍连续变焦光学系统, 该系统的光学总长为 138 mm, 总长/最大焦距比为 0.42, 可作为独立的连续变焦系统应用于近距离目标探测的中小型机载光电吊舱系统中。设计结果显示, 该系统在两种状态下均成像良好, 在探测器对应的特征频率 33 1p/mm处, 中心视场的 MTF值均在0.3附近, 接近衍射极限, 0.7视场的 MTF值均在 0.2附近, 边缘视场的 MTF均在 0.15附近, 能够满足应用需求。
小型化 光学设计 连续变焦系统 中波红外 miniaturization optical design continuous zoom system middle wavelength infrared 
红外技术
2021, 43(12): 1177
作者单位
摘要
西安应用光学研究所,西安 710065
连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化设计是镜头性能的重要影响因素。结合镜头中凸轮驱动结构形式及力学理论,分析了凸轮曲线的压力升角对系统传动力矩的影响; 结合机械加工误差以及压力升角模型,提出凸轮曲线优化约束条件及优化原则; 同时借助Gauss函数的平滑特性,实现凸轮曲线沿垂直于光轴方向非均匀展宽的优化方法,抑制凸轮曲线的最大升角。结合Gauss函数寻优处理对某光学设计获得的变焦凸轮曲线进行优化,在约束条件限制下保证曲线平滑性,凸轮曲线压力升角的范围由0°~39.01°优化到15°~31.16°,最大升角降低了20.12%。结果表明,该方法能够有效地应用于凸轮变焦系统设计以提高系统的性能。
光学变焦系统 连续变焦镜头 凸轮曲线 Gauss函数 optic zoom system continuous zoom lens cam curve Gauss function 
电光与控制
2021, 28(1): 61

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