專利名稱：基于moems的變焦和調焦系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于MOEMS的變焦和調焦系統，尤其是用于目標探測中的變 焦方法和變焦裝置。
背景技術：
為了獲取清晰的成像效果，要求光學組件具備良好的快速變焦能力。傳統的 變焦系統是通過改變光學系統組元之間的間隔和結構替換的方式來改變光學系 統的有效焦距和系統的視場角；其中光學系統運動組元筒凸輪的機械運動，通 常由電機和齒輪傳動機構驅動，實現變焦和調焦功能，響應時間需要幾百毫秒； 采用結構替換形式來實現變焦的系統，則需采用復雜的轉入轉出機械結構。而 且尺寸過大不利于安裝在小型空間探測器中。本系統釆用基于MOEMS (Micro-opto-electromechanical systems)器件可變形鏡來提供變焦和調焦功能， 減小系統體積，取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件，使整個系統動態 響應性能大大提高，反應快捷，所采用的基于MOEMS可變形鏡可以達到 lms 的響應時間。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種快速高效的微型自動化變焦和調焦系 統，能夠滿足空間探測器上對自動變焦和調焦的需求。
該基于M0EMS的自動變焦和調焦系統包括第一光學組、第二光學組和探測 器；第一光學組包括第一可變形鏡和第一反射鏡，第二光學組包括第一正透鏡、 第一負透鏡、第二正透鏡、第二負透鏡、第一反射鏡、第三負透鏡、第二可變 形鏡、第三正透鏡、第四負透鏡、第四正透鏡、第五負透鏡，系統從物方到像 方的光學元件依次為第一光學組的第一可變形鏡，第一光學組的第一反射鏡， 第二光學組的第一正透鏡，第二光學組的第一負透鏡，第二光學組的第二正透 鏡，第二光學組的第二負透鏡，第二光學組的第一反射鏡，第二光學組的第三 負透鏡，第二光學組的第二可變形鏡，第二光學組的第三正透鏡，第二光學組 的第四負透鏡，第二光學組的第四正透鏡，第二光學組的第五負透鏡，其中第
一光學組的第一可變形鏡的法線與物方入射光線的光軸夾角等于ir，第一光學
組的第一可變形鏡中心法線與第一光學組的第一反射鏡法線的夾角等于45。，第 一光學組的第一反射鏡法線與第二光學組第一正透鏡光軸的夾角等于56。，第二 光學組的第一正透鏡光軸和第二光學組的第一負透鏡光軸為平行且同心，第二 光學組的第一負透鏡光軸和第二光學組的第二正透鏡光軸為平行且同心，第二 光學組的第二正透鏡光軸和第二光學組的第二負透鏡光軸為平行且同心，第二 光學組的第二負透鏡光軸和第二光學組的第一反射鏡法線夾角等于45。，第二光 學組的第一反射鏡法線和第二光學組的第三負透鏡光軸夾角等于45。，第二光學 組的第三負透鏡光軸和第二光學組的第二可變形鏡中心法線夾角等于45。，第二 光學組的第二可變形鏡中心法線和第二光學組的第三正透鏡光軸夾角等于45。， 第二光學組的第三正透鏡光軸和第二光學組的第四負透鏡光軸為平行且同心， 第二光學組的第四負透鏡光軸和第二光學組的第四正透鏡光軸為平行且同心， 第二光學組的第四正透鏡光軸和第二光學組的第五負透鏡光軸為平行且同心， 第二光學組的第五負透鏡光軸和探測器中心法線為平行且同心，從物方入射光 線在第一光學組的第一可變形鏡處被反射，再在第一光學組的第一反射鏡處反 射，反射的光線進入第二光學組，透射通過第二光學組第一正透鏡，透射通過 第二光學組第一負透鏡，透射通過第二光學組第二正透鏡，透射通過第二光學 組第二負透鏡，在第二光學組第一反射鏡處被反射，透射通過第二光學組第三 負透鏡，在第二光學組第二可變形鏡處被反射后，透射通過第二光學組第三正 透鏡，透射通過第二光學組第四負透鏡，透射通過第二光學組第四正透鏡，透 射通過第二光學組第五負透鏡，最后到達探測器； 本發明的有效效益是
1、 變焦光學系統結構緊湊，體積小巧；
2、 變焦光學系統像差校正良好，系統探測精度高，穩定性好。
3、 變焦光學系統有很大變焦比，目標探測范圍可變，可以在較大范圍內 尋找目標，并實現快速精確定位；
圖1基于MOEMS的變焦和調焦系統結構示意圖； 圖2本發明的光學系統其中1-第一光學組，2-第二光學組，3-第一可變形鏡，4-第二可變形鏡， 5-變焦結構的第一光學組的折反射光學元件或光學系統，6-變焦結構的第二光學 組的折反射光學元件或光學系統，7-探測器，17-第二光學組的第一正透鏡，18-第二光學組的第一負透鏡，19-第二光學組的第二正透鏡，20-第二光學組的第二 負透鏡，21-第二光學組的第一反射鏡，22-第二光學組的第三負透鏡，23-第二 光學組的第三正透鏡，24-第二光學組的第四負透鏡，25-第二光學組的第四正透 鏡，26-第二光學組的第五負透鏡，27-第一光學組的反射鏡。
具體實施例方式
本發明中第一光學組和第二光學組的光學焦距變化，是通過改變第一可變 形鏡3和第二可變形鏡4的曲率半徑實現，如圖1。本發明中用于目標探測的變 焦和調焦系統，變焦和調焦過程中兩個光學組的軸上間隔不變，第一組元和第 二組元內部光學元件之間的間隔不變，第一組元和第二組元的系統焦距可變。 本發明中物方入射光線按順序分別進入第一光學組1和第二光學組2，在探測器 7處成像。
本發明中用于目標探測的變焦和調焦系統，變焦和調焦過程中兩個光學組 的軸上間隔不變，第一組元和第二組元內部光學元件之間的間隔不變，第一組 元和/或第二組元的系統焦距可變。
本發明中所涉及的變焦和調焦系統采用兩個可變形鏡。
本發明中第一光學組和第二光學組的光學焦距變化，是通過改變第一可變 形鏡3和第二可變形鏡4的面型實現。
本發明中所涉及的變焦和調焦系統采用兩個可變形鏡，其中第一光學組1 有一個第一可變形鏡3， 一個折反射光學元件或光學系統5，第二光學組2有一 個第二可變形鏡4。
本發明中所涉及的變焦和調焦系統結構，其探測器7在變焦和調焦過程中 靜止不動，通過控制可變形鏡不同位置上的微鏡位置，可以改變通過它的光波 的波面形狀。在將可變形鏡應用于目標探測器中，實現變焦和調焦功能時，光 學系統的設計需要考慮三個約束。第一個是可變形鏡的口徑和在系統中的位置， 以滿足系統的f/number和尺寸要求。孔徑光闌在系統不同位置，可變形鏡校正 像差能力有差異，可變形鏡口徑要求也不同，因此需要對孔徑光闌的位置進行
優化，以達到最佳系統性能。第二個是可變形鏡的焦距變化范圍，以滿足系統
變焦比。可變形鏡的微鏡移動行程很小(正負10微米)，所引入焦距變化范圍
有限，需要對焦距變化范圍進行設計，以增大系統變焦比。第三個是可變形鏡 在系統中的位置和光線的入射角，以實現系統像差校正。本發明對以上約束進 行了控制。
變焦范圍為70~300毫米，探測器為1/3英寸CCD，光學系統在焦距70毫 米時的f/number為4.6，變焦系統在焦距70毫米時觀察角為±2.45°，焦距300 毫米時觀察角為±0.57°。調焦范圍8米 無窮，無窮距離時可對目標定位，可在 8米到無窮遠范圍內運動中觀察目標形態，實時調整姿態。
本實施例子中光學系統可以實現70 300毫米的變焦以及8米 無窮的調焦， 在70 300毫米的變焦范圍內，對光學系統的像差實現校正。
本實施例子中孔徑光闌位于第一光學組l，以減小變焦系統的結構尺寸。實 驗證明，當系統f/number不變時，孔徑光闌位于第二光學組2時，第一光學組 和第二光學組中孔徑光闌前的光學元件直徑是孔徑光闌位于第一光學組1時的 1.5~2倍。
本實施例子中的基于可變形鏡的變焦和調焦系統，第一光學組中反射鏡法 線與光軸夾角^,，第一光學組中第一可變形鏡的法線與光軸夾角&2，其夾角關 系為
H45' (2) 本實施例子中可變形鏡微鏡的最大行程為正負IO微米時，系統的子午面和 弧矢面的光線偏轉角度有限，從而保證了系統像差校正，艮P:
6^2<=15° (3) 本實施例子第二光學組中均有一片反射鏡和一個可變形鏡，其中第二光學 組的光線，先經過第二可變形鏡反射，再經第二光學組的第一反射鏡反射，最 后到達探測器；利用可變形鏡可實現微量曲率變化進而改變系統焦距的特性， 對整體光學系統中各個元件結構參數做了合理的設置、像差平衡和系統優化， 使光學系統變焦比達到4.3。實施例子1系統焦距70毫米時，第一可變形鏡的 近軸焦距為703.63毫米，第二可變形鏡的近軸焦距為-2294.95毫米，系統焦距 300毫米時，第一可變形鏡的近軸焦距為1288.39毫米，第二可變形鏡的近軸焦 距為-3410.27毫米；實施例子2系統焦距70毫米時，第一可變形鏡的近軸焦距
為703.35毫米，第二可變形鏡的近軸焦距為755.01毫米，系統焦距300毫米時， 第一可變形鏡的近軸焦距為1260.19毫米，第二可變形鏡的近軸焦距為4510.2 毫米，偏置量在商用可變形鏡的參數范圍內。
第一可變形鏡3被確定為孔徑光闌，可變形鏡面型設為非球面，則可變形 鏡在光學系統入瞳位置對球差、慧差等系統像差可以實現更好校正。
權利要求
1.基于MOEMS的自動變焦和調焦系統，包括第一光學組、第二光學組和探測器；第一光學組包括第一可變形鏡和第一反射鏡，第二光學組包括第一正透鏡、第一負透鏡、第二正透鏡、第二負透鏡、第一反射鏡、第三負透鏡、第二可變形鏡、第三正透鏡、第四負透鏡、第四正透鏡、第五負透鏡，系統從物方到像方的光學元件依次為第一光學組的第一可變形鏡，第一光學組的第一反射鏡，第二光學組的第一正透鏡，第二光學組的第一負透鏡，第二光學組的第二正透鏡，第二光學組的第二負透鏡，第二光學組的第一反射鏡，第二光學組的第三負透鏡，第二光學組的第二可變形鏡，第二光學組的第三正透鏡，第二光學組的第四負透鏡，第二光學組的第四正透鏡，第二光學組的第五負透鏡，其特征在于第一光學組的第一可變形鏡的法線與物方入射光線的光軸夾角等于11°，第一光學組的第一可變形鏡中心法線與第一光學組的第一反射鏡法線的夾角等于45°，第一光學組的第一反射鏡法線與第二光學組第一正透鏡光軸的夾角等于56°，第二光學組的第一正透鏡光軸和第二光學組的第一負透鏡光軸為平行且同心，第二光學組的第一負透鏡光軸和第二光學組的第二正透鏡光軸為平行且同心，第二光學組的第二正透鏡光軸和第二光學組的第二負透鏡光軸為平行且同心，第二光學組的第二負透鏡光軸和第二光學組的第一反射鏡法線夾角等于45°，第二光學組的第一反射鏡法線和第二光學組的第三負透鏡光軸夾角等于45°，第二光學組的第三負透鏡光軸和第二光學組的第二可變形鏡中心法線夾角等于45°，第二光學組的第二可變形鏡中心法線和第二光學組的第三正透鏡光軸夾角等于45°，第二光學組的第三正透鏡光軸和第二光學組的第四負透鏡光軸為平行且同心，第二光學組的第四負透鏡光軸和第二光學組的第四正透鏡光軸為平行且同心，第二光學組的第四正透鏡光軸和第二光學組的第五負透鏡光軸為平行且同心，第二光學組的第五負透鏡光軸和探測器中心法線為平行且同心，從物方入射光線在第一光學組的第一可變形鏡處被反射，再在第一光學組的第一反射鏡處反射，反射的光線進入第二光學組，透射通過第二光學組第一正透鏡，透射通過第二光學組第一負透鏡，透射通過第二光學組第二正透鏡，透射通過第二光學組第二負透鏡，在第二光學組第一反射鏡處被反射，透射通過第二光學組第三負透鏡，在第二光學組第二可變形鏡處被反射后，透射通過第二光學組第三正透鏡，透射通過第二光學組第四負透鏡，透射通過第二光學組第四正透鏡，透射通過第二光學組第五負透鏡，最后到達探測器。
全文摘要
本發明的基于MOEMS的自動變焦和調焦系統，包括第一光學組、第二光學組和探測器；第一光學組包括第一可變形鏡和第一反射鏡，第二光學組包括第一正透鏡、第一負透鏡、第一雙膠合透鏡、第二可變形鏡、第二負透鏡、第二反射鏡、第二雙膠合透鏡、第二正透鏡、第三負透鏡，系統從物方到像方的光學元件依次經過上述光學元件。該變焦光學系統像差校正良好，系統探測精度高，穩定性好。變焦光學系統有很大變焦比，目標探測范圍可變，可以在較大范圍內尋找目標，并實現快速精確定位。
文檔編號G02B27/00GK101369052SQ20081011943
公開日2009年2月18日 申請日期2008年8月29日 優先權日2008年8月29日
發明者勇 宋, 程雪岷, 群 郝 申請人:北京理工大學