红外中波连续变焦光学系统的设计

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中波红外变焦距系统的光学设计[1]

文章编号:100222082(2006)0120032203中波红外变焦距系统的光学设计张　良(中国航空工业一集团洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009)摘　要:　由于红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强,能在一定程度上识别伪装目标,且设备体积小、重量轻、功耗低等特点,在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察和红外制导等方面。

近年来,随着红外光学技术的长足发展及其实际应用范围的不断扩展,对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。

本文介绍了一种采用凝视型焦平面阵列探测器的中波红外变焦光学系统的设计,该系统利用了反射镜的折叠光路,其工作波长范围为3～5Λm ,变倍比为20∶1。

最后用COD E V 光学设计软件对其像质进行了评价。

关键词:　红外光学;变焦距系统;光学设计;像质中图分类号:TN 214;TN 924.2+1 文献标识码:AOptica l design for m iddle i nfrared zoom systemZHAN G L iang(L uoyang In stitu te of E lectro 2op tical Equ i pm en t of AV I C ,L uoyang 471009,Ch ina )Abstract :Since infrared system s have featu res such as good atm o sp heric adap tab ility ,p assive fea 2tu res ,an ti 2jamm ing ab ility and s m all vo lum e ,ligh t w eigh t and little pow er con sum p ti on ,they have found w ide app licati on s in navigati on ,su rveillance ,gu idance and m ilitary cam ouflage target detecti on .In recen t years ,the dem and fo r infrared zoom system s is increasing in p ropo rti on w ith the developm en t of infrared techno logy and its app licati on s.T he design of a zoom len s fo r m iddle infrared system w ith a staring focal p lane array detecto r is described in th is p ap er .T he op eratingw avelength of the system is 3～5Λm ,and zoom rati o is 20∶1.T he i m age quality ach ieved w ith the zoom len s is evaluated w ith the COD E V op tical design softw are .Key words :infrared op tics ;zoom system ;op tical design ;i m age quality引言由于红外成像不受低空工作时地面和海面的多路径效应影响,低空导引精度很高,可直接攻击目标要害,具有多目标全景观察、追踪和目标识别能力及良好的抗目标隐形能力等,因此,红外成像技术是目前各军兵种都非常需要的新型高科技技术。

中波红外连续变焦系统设计

中波红外连续变焦系统设计
杨为锦，强孙
（．科学院长春光学精密１中国机械与物理研究吉林长春１０３所，３３；０２中国．科学院研究生院，１０４）北京００９
摘要：基于制冷型３０Ｘ４２２０凝视焦平面阵列探测器，设计了一套高变倍比中波红外连续变焦光学系统，于机载光电探用测和跟踪设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成。介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法；通过光学软件给出了系统结构及其参数，对系统的像质和那喀索斯效应进行了分析。测试结果表明，并系统实现了１２０ｍ／１～０／／的连续变焦，变倍比为１Ｆ数为３工作波段为３—５ｍ，８×，，满足１００％冷光阑效率，空间频率１／ｍ在６ｌｍｐ
处的ＭＴＦ值＞．；０６具有热灵敏度高、像质好、分辨率高等特点，满足了设计的要求。
关键词：续变焦；外系统；瞳衔接；学系统连红光光文献标识码：Ａ中图分类号：Ｎ１Ｔ２６
Ｄｅｉｎｏｉｄｅｉｆａｅｏｔｎｏｓｚｏｙｔｍｓｇｆｍｄｌｎｒｒｄｃｎｉｕｕｏｍｓｓｅ
Ａｂｓｒｃｔａｔ：Ｏｎｔａｉｆａｃｏ２４ｅｅｔｒｗｉｈｓａｉｇｆｃｌｐａｅａｒｙ，ａｓｔｏｄｌｎｒｒｄｈｅｂｓｓｏｏｌ３０Ｘ２０ｄｔｃｏｔｔｒｎｏａｌｎｒａｅｆｍｉｄｅｉｆａｅｃｎｉｕｕｏｍｙｔｍｓｄｓｇｅｏｉｂｒｅｏｔｅｅｔｏｉｅｅｔｏｎｄｔａｋｎｐａａｕ．Ｔｅｓｓｅｉｏｔｎｏｓｚｏｓｓｅｉｅｉｎｄｆｒａｒｏｎｐｏｌｃｒｎｃｄｔｃｉｎａｒｃｉｇａｐｒｔｓｈｙｔｍｓ

高清晰大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

陈津津，金宁，周立钢，贾星蕊
（昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）
摘要：随着红外热成像系统的不断发展，对红外光学系统也提出了更高的要求。为了满足红外探测器在军事方面的广泛应用，整机系统对高性能、大变倍的红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针
关键词：连续变焦；机械补偿；二次成像；冷屏效率
中图分类号：ＴＮ２１６文献标志码：Ａ文章编号：１００７ — ２２７６（２０１３）１０ — ２７４２ — ０６
Ｈｉｅｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌ
ｃｏｍｐｅｎｓａｉｏｔｎｃｏｎｉｎｔｕｏｕｓｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｇｒｅａｔｅｒｔｈｎａ３０ｘｚｏｏｍｒｎｇａｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂａｓｅｄｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄ６４０ｘ５１２ｃｏｏｌｅｄｓｔａｒｉｎｇｆｏｃａｌｐｌｎｅａａｒｒａｙ（ＦＰＡ）ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｍｅｃｈｎｉａｃａｌ
对高端中波制冷型６４０ｘ５１２凝视焦平面探测器，设计了结构紧凑、性能优良的高清晰大变倍比机械补偿连续变焦光学系统。该系统工作波段为３．７～４．８Ｉｘｍ，Ｆ数为４，变倍比为３５：１，变焦范围为１５～５５０ｍｍ。该系统运用“ 平滑换根 ” 理论，实现了超大变倍比的连续变焦光学系统设计，并且采用二次成像以及４５。反射镜对光路进行ｕ型折叠，在实现了冷屏效率１００％的同时有效控制了该系统的横向和径向尺

折衍射混合中波红外连续变焦光学系统设计

（ＷｕｈａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌａｎｄＴｅｃｈｎｉｃｌａＣｏｌｌｅｒｅ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｂｉｇｚｏｏｍｒａｔｉｏｈｙｂｉｄｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕａｌｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｚｏｏｍｌｅｎｓｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｉｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｉｓｒｏｆｍ５０ｔｏ５００ｍｍｗｉｔｈ
随着红外技术的发展，对红外热像仪提出了越来越高的使用要求，需要红外热像仪同时满足对目标进行跟踪、探测和识别三项功能，需要热像仪具有不同的视场。且变倍比越大越好。连续变焦光学系统能够保证红外热像仪的视场变化过程中保持图像的连续性，对搜索和跟踪运动目标是非常有利的，因此相对于定焦或两档变焦光学系统。大变倍比的连续变焦光学系统在军事上具有更多的需求。目前红外连续变焦光学系统一般采用机械补偿式或光学补偿式连续变焦方式＿ｌ川，其中机械补偿方式是一组透镜变倍。一组透镜补偿，其变焦曲线是非线性的。可以设计成较大的变倍比，国内外有部分学者做了研究卜Ｊ。衍射元件具有和折射元件互补的温度特性和色

中波红外连续变焦光学系统设计

中波红外连续变焦光学系统设计尹娜，孟庆超，齐雁龙，张运强（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）摘要：针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器，探讨了红外连续变焦系统的设计方法，并在考虑红外吊舱使用要求的基础上，设计了结构紧凑、质量轻便的机械补偿5×连续变焦光学系统。

该系统工作波段3～5μm，F#为2.0，变焦范围30～150mm，变焦轨迹短而平滑，且在全焦距范围内成像质量良好。

系统由7片透镜组成，采用二次成像结构，在实现冷光阑效率100%的同时缩小了系统径向尺寸。

关键词：吊舱；连续变焦；二次成像；冷光阑效率中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)12-0694-04Middle Infrared Continuous Zoom Optical SystemYIN Na，MENG Qing-chao，QI Yan-long，ZHANG Yun-qiang(China Airborne Missile Academy, Luoyang Henan 471009, China)Abstract：The designing process of infrared continuous zoom system for cooling detector with staring focal plane array has been discussed and a mechanical compensation 5× continuous zoom optical system with compact size and low weight has been presented based on the requirements of pod-using. The spectral band of the system is 3～5μm. and F#is 2.0. It can realize 30～150mm continuous zoom with a short and smooth zoom path. In the whole zoom arrange it holds high image quality. The system has 7 lenses adopts secondary imaging structure. It has 100% cold shield efficiency and can reduce the radial size of the system.Key words：pod-using；continuous zoom；secondary imaging；cold shield efficiency引言近些年红外前视侦查、瞄准系统中越来越多的使用红外变焦系统，其中大视场用于在大范围内搜索目标，提高捕获概率，小视场分辨率较高，用于对目标进行识别、分析。

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

焦，变焦轨迹平滑，满足１００％冷光阑效率。该系统采用硅、锗和硒化锌三种红外材料，通过引入非球面和衍射面来校正系统的轴外像差和高级像差。系统在３０ｌｐ／ｍｍ处，全焦距范围内调制传递函数（ＭＴＦ）
ｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌａｒｇｅｚｏｏｍｒａｎｇｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｍａｇｅｄｔｈｒｉｃｅ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｉｔｎｇ
ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａｎｇｅｗａｓ３．７－４．８ｍ，Ｆｎｕｍｂｅｒｗａｓ４ａｎｄｔｈｅｚｏｏｍｒａｔｉｏｗａｓ３０：１．Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｒｅａｌｉｚｅ２３－７０１ｉｎｌ／ｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍａｎｄｍｅｅｔ１００％ｃｏｌｄｓｈｉｅｌｄｅｉｃｆｉｅｎｃｙｗｉｈｓｔｍｏｏｔｈｚｏｏｍｌｏｃｕｓ．ＴｈｒｅｅｉｎｆｒｒｅａｄｍａｔｅｉａｒｌｓｏｆＳｉ，ＧｅａｎｄＺｎＳｅｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｃｌｓａｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅｏｆｆａｘｉｓａｂｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｅｒｏｒｄｅｒａｂｅｒａｔｉｏｎｂｙｌｅａｄｉｎｇｔｈｅａｓｐｈｅｉｃｒｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅ．ＴｈｅＭＴＦｗａｓａｂｏｖｅ０．１５ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｆｏｃａｌｒａｎｇｅａｔｈｅｔｓｐａｔｉａｌｒｅｆｑｕｅｎｃｙｏｆ３０ｌｐ／ｍｍａｎｄｉｔａｐｐｒｏａｃｈｅｄｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｈｅｔＭＷＩＲｃｏｎｉｎｔｕｏｕｓｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ

大面阵中波红外连续变焦光学系统设计

大面阵中波红外连续变焦光学系统设计骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【摘要】A mid-wavelength continuous zoom optical system was presented for a staring Focal Plane Array(FPA) infrared detector by cooling assembly. The optical system with an optical configuration of reflect mirror fold was composed of a zoom object lens system and a secondary imaging system including seven lenses and two reflectors. On the basis of zoom principles, the systemic structure and design parameters were given by using special optical design software, then the schematic diagram and imaging quality were investigated. Finally, the performance and indexes of the system were verified. The results indicate that the system can offer a 50-500 mm continuous zoom and 100% cold shield efficiency. Moreover, the Modulation Transfer Function (MTF) in whole fields at Nyquist frequency is over 0. 35 and the whole field distortion is below 2%. These results show that the system is characterized by high resolution, thermal sensibility,excellent images and smooth zoom locus.%针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统.该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路.首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数.然后,分析了系统的像质和冷反射效应.最后,验证了系统的性能指标.结果表明:该系统可以实现50～500 mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2％,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)010【总页数】6页(P2117-2122)【关键词】红外光学系统;连续变焦;大面阵探测器;光学设计【作者】骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言红外成像系统以被动工作方式，具有抗电子干扰、隐蔽性好、图像直观、易于观察、精度高、低空探测性能好等优势，在警戒、侦察、地面防空和制导等军事领域中得到了广泛应用，从而受到各国相关研究机构及人员的关注［1－3］。

25倍中红外连续变焦光学系统设计_周昊

第３２卷第４期２０１２年４月
光学学报ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．４Ａｐｒｉｌ，２０１２
２５倍中红外连续变焦光学系统设计
周昊１，２刘英１孙强１
（）１中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３２中国科学院研究生院，北京１０００４９
图１光学系统原理图Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ
２．１变焦系统连续变焦系统需要满足系统焦距连续改变和像
面位置保持稳定这两个条件。机械补偿式连续变焦系统可以通过变倍组和补偿组的移动来实现这两个要求。为了提高变焦系统的变焦比，采用两个机械补偿式变焦系统串联的方式来组成一个变焦系统，其原理如图２所示。各透镜组的焦距不变，三个固定组Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３的位置保持固定。通过两个变倍组（ｚｏｏｍ）Ｍ１、Ｍ２和两个补偿组（ｃｏｍｐ）Ｃ１、Ｃ２的移
就是要保证冷光阑效率１００％，除此之外二次成像
系统还可以起到压缩物镜口径的作用。光学系统原
理如图１所示：无穷远物体经变焦系统成像在一次
像面Ｉ１处，一次像面Ｉ１再经二次成像系统成像在
二次像面Ｉ２处。用ｆｚ表示变焦系统的焦距，βｒ表示一次像面经二次成像系统成像时的放大倍率，则
０４２２００１－１光学学报２ Nhomakorabea设计原理
本文所设计的中波红外连续变焦光学系统由变

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表２变焦系统参数
Ｔａｂｌｅ２Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ
一远。醯《鬓Ｈ馨—塞氧Ｎｋ＿３
图１系统光路图（ａ）长焦，（ｂ）２。焦，（ｃ）４。变焦，（ｄ）８。变焦Ｆｉｇ．１Ｏｐｔｉｃａｌ—ｐａｔｈｏｆｔｈｅｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ（ａ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ
ｗｉｔｈｌｏｎｇｆｏｃｕｓ，（ｂ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ２‘ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，（ｃ）
设计的另一重要方面就是杂光抑制，红外图像表征景物的温度分布，是灰度图像，分辨率低，所以在设计光学系统时，一定要尽量提高信噪比，抑制噪声，采取杂散光抑制措施．由于本文是透射式系统，所以在杂光抑制方面略优于反射系统，通过筒壁加工合适高度、形状和间隔的螺纹，可以有效达到抑制杂光的效果．
３设计结果
（１．南京电子技术研究所，江苏南京２１００３９；２．南京天文光学技术研究所，江苏南京２１００４２）
摘要：设计了红外连续变焦光学系统，该系统具有镜片少、透过率高、连续变焦倍率大、波段广、相对孔径大等突出特点．二元面和非球面的引入，使系统在不同变焦结构时１４ｌｐ／ｍｍ处的ＭＴＦ均大于０．６，很好地校正了系统的色差和轴外像差．该系统在仅使用４片镜片的情况下，实现了８倍连续变焦，系统透过率高于８０％．结果表明该变焦系统具有良好的成像质量．关键词：光学设计；变焦系统；连续变焦；红外；衍射光学元件；无热化中图分类号：０４３６文献标识码：Ａ
用的光学材料较少，且价格贵，光学系统要消色差就
必须采用多种玻璃，因此本文采用具有独特消色差
和消热差特性的二元元件．
二元光学元件在系统中主要用于校正色差，同
时可以校正其它像差，有利于简化系统结构、缩小体
积和减轻系统重量，具体原理简述如下旧引．
一般光学镜片的色差是由光学玻璃的材料色散
特性引起的，而二元光学元件（ＤＯＥ）的色差是微结
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｌａｒｇｅｒｅｌａｔｉｖｅａｐｅｒｔｕｒｅｗｉｔｈｈｉｇｈｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ，ｌａｒｇｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｒａｔｉｏ，ａｎｄｗｉｄｅｗａｖｅｂａｎｄ．Ｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄａｎａｓｐｈｅｒｉｃ
Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ４。ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，（ｄ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ８。
ｒｏｏｍｒａｔｉｏ
如图２所示为连续变焦系统的传递函数（ＭＴＦ），空间频率在１４Ｉｐ／ｍｍ时系统在各变焦情况下，ＭＴＦ均高于０．６，图３为变焦系统的点列图ＳＰＯＴ，弥散斑尺寸都很小，这说明该系统在全焦距范围内都具有较好的成像质量，满足使用要求．
Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｚｏｏｍｌｅｎｓｅｓ
ＸＵＥＨｕｉ１，ＬＩＣｈａｎｇ．Ｗｅｉ２
（１．ＮａｎｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４２，Ｃｈｉｎａ）
ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｂｏｖｅ０．６ｆｏｒａｌｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｒａｔｉｏｓａｔｔｈｅｓｐａｔｉａｌ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ１４１ｐ／ｍｍ．Ａｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｎｌｙｃｏｎｔａｉｎｓ４ｌｅｎｓｅｓ，ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ８０％，ａｎｄｔｈｅｚｏｏｍｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄａｌｓｏｒｅａｃｈ８ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ａｓｔｈｅｃｏｌｏｒａｎｄｔｈｅｏｆｆ－ａｘｉｓａｂｅｒｒａｔｉｏｎａｒｅｗｅｌｌｃｏｒｒｅｃｔｅｄ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｉｍａｇｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｅｔｔｙｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｚｏｏｍｌｅｎｓｅｓ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ—ｚｏｏｍ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ；ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ
万方数据
５期
薛慧等：红外中波连续变焦光学系统的设计
短焦；变倍组是系统实现连续变焦的核心部件，通常选用高折射率、低色散的光学材料，本系统采用了锗，面型为双凹的负透镜；补偿组用于焦平面位置的补偿，通常采用正光焦度透镜；后固定组则采用了ＺｎＳｅ材料，并且，其前表面是二元面，可以进一步消色差和高级像差，改善整个光学系统的成像质量．系统在连续变焦过程中，前固定组和后固定组位置不变，焦平面位置固定，保证了整个系统的总长度不变．由图１可知，整个系统包含４片透镜，比通常的连续变焦系统减少了３０％的镜片．镜片的减少，减少了整个系统的反射损耗，提高了系统的透过率，该系统的透过率高达８０％，系统径向口径最大１６０ｍｍ，系统具体设计参数如表２所示．
求；但对大视场变焦系统，或大倍率变焦系统，要求
二级色差小，则必须采用正组补偿．本文中设计的变
焦系统要求最大视场±８．２。，入瞳直径１５０ｍｍ，属
视场和孔径较大的系统，其色差和高级像差较难校
正，因此本系统采用正组补偿方式实现连续变焦．
由于系统要求视场角比较大，反射式结构难以
满足要求，所以系统结构拟采用透射式．红外波段常
基金项目：南京电子技术研究所控课题预研基金
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍｓ：ＳｕｐｐｏｓｅｄｂｙＡｄｖａｎｃｅｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＮａｎｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、
作者简介（Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ）：薛慧（１９８４一），女，内蒙古巴盟人，工程师，硕士，主要从事光学设计方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｅｈｕｉ＿２００１＠１６３．ｃｏｍ．
～
图２变焦系统ＭＴＦ（ａ）长焦，（ｂ）２。变焦，（Ｃ）４１变
焦，（ｄ）８。变焦
、
Ｆｉｇ．２ＭＴＦｏｆｔｈｅｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ．（ａ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌｏｎｇ
ｆｏｃｕｓ，（ｂ）ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ２。ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，（ｃ）ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ
４。ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，ａｎｄ（ｄ）ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ８“ｒｏｏｍｒａｔｉｏ
第３ｌ卷第５期２０１２年１０月
红外与毫米波学报
Ｊ．ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ
文章编号：１００１—９０１４（２０１２）０５—０４２１—０５
Ｖ０１．３１，Ｎｏ．５Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１２
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１０．２０１２．００４２ｌ
红外中波连续变焦光学系统的设计
薛慧１，李常伟２
基于上述现状，作者设计了一个镜片少、结构简单、变焦曲线短而平滑，用于中波红外非制冷探测器的连续变焦系统．该系统通过引入二元面和非球面，改善了系统的成像质量，同时精简了系统结构，显著提高了连续变焦系统的透过率．连续变焦系统通过焦距的连续变化，对不同视场目标成像，实现探测跟
踪的连续性．
１技术参数、
构衍射的波长依赖性引起的，对ＤＯＥ，由其色散特
性推导出来的等效阿贝常数俨和部分色散系数Ｐ。
为：
俨＝忐一Ｄ糕，
㈩
式中Ａ：为光学设计中心波长，Ａ。，Ａ，为选定消色差的两个波长．
在中红外波段设计中，Ａ．＝３．７Ｉｘｍ，Ａ：＝４．５
斗ｍ，Ａ，＝５．３卜ｍ，则俨：一２．８，Ｐ”＝０．５，可见ＤＯＥ的等效阿贝常数和一般光学材料的阿贝常数是相
反的．
和传统的消色差透镜组相比，由于ＤＯＥ具有负
的阿贝常数，所以ＤＯＥ在光学应用中有许多不同的特点．传统的消色差透镜组采用的是正负透镜组合的形式，为了达到消色差的目的，每块透镜的光焦度绝对值都较大，而这又会带来更大的系统单色像差，最终使整个光学系统镜片多而复杂．而在红外波段，由于可供选择的玻璃材料有限，消色差更为困难．在折／衍射混合系统中，衍射元件的等效阿贝常数为一很小的负值，且ＤＯＥ的光焦度非常小，这就使得单色像差容易较正．在折／衍系统中，衍射元件附在折射元件的某一面上，这样折／衍｝昆合透镜的体积、重量相当于单透镜，所以利用衍射元件可以简化光学系统，减少镜片数量，减轻光学系统重量，增加整个系统的透过率．
连续变焦光学系统是通过机械补偿实现变焦
的，其中根据补偿组的焦距正负分为正组、负组两种
补偿方式．通常，变倍组焦距相同时，两种补偿方式
相比较，正组补偿的连续变焦光学系统结构细而长，
而负组补偿的系统结构短而粗，且负组补偿二级色
差和球差均比正组补偿大．对小视场系统，且对球
差、二级色差要求低的情况，负组补偿可以达到要
如图１所示，为连续变焦光学系统的光路示意图，系统总长４４５．４ｍｉｌｌ，其长焦（２７５ｍｌＴｌ）、２。变焦（１３７．５ｍｍ）、４“变焦（６８．７５ｒａｍ）、８。变焦（３４．３７５ｍｍ）情况下的系统光路图分别如图（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）所示．图中，１、２、３、４分别表示变焦系统的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组四个部分．前固定组是整个系统的窗口，通常选用透过率高、硬度较大的材料，本系统采用了较为常用的硅，同时，为了避免引入较难校正的二级光谱，前固定组焦距采用了
众所周知，红外系统无热化设计的重要性，这是由于红外材料折射率温度系数较大，如单晶锗的折射率温度系数ｄｎ／ｄｔ为３．９６×１０～／。Ｃ，而可见光玻璃Ｋ９的折射率温度系数为２．０×１０“／℃，前者是后者的将近２００倍，这意味着大范围温度变化必然导致光学系统曲率、厚度、折射率等的变化，这严重影响了系统的成像质量旧Ｊ．由于本系统是变焦系统，所以在无热化设计方面不可能再采用传统的机械或机电被动方式，而是在设计过程中通过合理选择材料和各镜片焦距，再通过调整镜片间隔达到消热差的目的．除此之外，衍射元件具有负热差特性，也抵消了一部分热差．