基于可变形镜的变焦、调焦、稳像一体化变焦距光学系统研究

In this project, a novel scheme is proposed for varifocal and autofocus lens design based on MOEMS deformable mirrors. It is a new method to esatablish the zoom lens using the off-axis reflective deformable mirrors and the on-axis refractive elements. Without a moving element, the zoom lens based on MOEMS deformable mirrors proposed in this project is applicable for focusing, zooming and image stablization. Researches on the optical layout design, the deformation strategy of the deformable mirror, image stabilization and the design method of the zoom system are developed; give a systematic theory for the new type of zoom lens design. The project is aimed to determine the best solution for the new kind of zoom lens based on the MOEMS techniques. It would help provide reliable, high performance varifocal lens for the devices as applied to aeronautics and astronautics,military and defense.The zoom lens specifications achieved in this project are: (1)zoom ratio: 5X-7X；(2)focus range：20 times as the focal length - Infinity.

本项目将传统光学技术与MOEMS技术相结合，提出了一种基于MOEMS可变形镜的无运动部件的变焦距光学系统设计方法，解决利用离轴反射式可变形镜和同轴折射式光学系统相结合实现集高精度快速变焦、调焦、稳像为一体的新型变焦距光学系统的核心技术问题，建立了一种基于可变形镜的新型变焦系统。通过光路结构设计、可变形镜变形策略、倾斜校正、变调焦系统设计等相关内容的研究，构建基于可变形镜的新型高精度快速变调焦系统的系统化设计理论。本项目旨在解决基于微光机电系统（MOEMS）技术的新型高精度快速变调焦的科学问题，为我国航空航天和军事国防等领域提供可靠的高性能变焦距光学系统。利用本项目研究理论实现的变焦距光学系统指标：（1）变焦比5-7倍；（2）调焦范围20倍焦距-无穷远。

本项目研究一种新型高精度快速变调焦技术，利用MOEMS可变性镜面形改变引入的变化焦距、像差校正和倾斜校正，结合固定透镜组元完成系统成像，实现集高精度快速变焦、调焦、稳像为一体的新型变焦距光学系统。通过拓展国际上主流的Tanaka变焦方程计算方法，推导了可变形镜器件焦距变化和光学系统焦距变化量之间的微分函数；研究了光学系统高斯结构最优解析解的约束函数关系，以求取系统中固定组元透镜的初始结构，解决了离轴反射式可变形镜和同轴折射式光学系统相结合的变焦距光学系统的设计问题；通过对变焦系统高斯结构焦距函数和约束函数进行解析推导和解区域优化，得到连续变焦且消除像面漂移的应用MOEMS可变形镜的新型变焦系统结构。同时研究基于可变形镜的稳像系统性能评估技术，基于费马定理和三维矩阵光学理论对可变形镜面形各点法线向量优化设计以改变入射光线的出射方向，由物像空间动态光线对校正计算可变形镜面形变化模型，完成倾斜校正，进一步实现像差校正和系统优化；研究探讨了基于可变形镜的变焦距/稳像光学系统性能的评估技术、稳像系统性能评估方法及系统实验技术、环境温度变化时主动补偿技术、可变形镜模型及优化技术、可变形镜专用驱动控制技术、MOEMS变焦距系统设计等工作；在以上工作基础上，进行了变焦距光学系统设计的实验验证。利用商用可变形镜完成了新型变焦距系统变焦和面形控制实验。项目研究了变焦比为2:1、5.06:1和8.8:1等多种变焦距光学系统设计方法及对应可变形镜面形变化规律，设计并研制了5.06倍变调焦系统原理样机，焦距变化范围为28.06mm~142mm，物方调焦范围为20倍焦距到无穷远；设计验证了8.8倍变焦距系统及其稳像模型的系统性能。本项目研究了通过控制可变形镜面形实现光学系统变焦、稳像的设计方法和实现技术，研究成果有利于提升变焦稳像系统整体性能，为我国航空航天和军事国防等领域提供可靠的高性能变焦距光学系统。项目研究期间培养博士生3名，硕士生9名，发表论文22篇，其中SCI收录15篇，Ei收录5篇，申请发明专利8项，授权发明专利2项，圆满完成了项目计划。