红外变焦距光学系统的研究
基于蒙特卡洛模拟法的红外光学系统公差分析
基于蒙特卡洛模拟法的红外光学系统公差分析刘琳;张兴德;贺谊亮【摘要】在研究了蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟的概念、方法和基本步骤的基础上,讨论了蒙特卡洛模拟在红外光学设计中的应用.运用光学设计软件CODE V进行了中波红外光学系统的蒙特卡洛模拟实例计算.模拟结果表明:用蒙特卡洛模拟法进行公差分析,不仅可以在满足设计要求的前提下使系统的加工和装调公差得到合理分配,还可以正确地预测生产结果,判断设计的合理性.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2010(040)005【总页数】4页(P496-499)【关键词】公差分析;红外光学加工;光机装调【作者】刘琳;张兴德;贺谊亮【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【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言光学系统作为精密仪器的一部分,与仪器的其他部件相比,对加工精度、装调精度的要求更高。
而在实际生产中,过高的加工、装调精度往往难以实现,当误差分配不合理时,由于加工、装配误差造成的光学系统性能下降将更严重。
如果没有公差分析的手段,设计师在进行产品设计时,只能是凭经验,参照与之相类似的结构确定各零件、部件的公差。
这时按照给定的精度加工出的零件,最终是否满足产品的性能和技术指标的要求,装配后对产品的精度是否有影响,设计和生产者均不能给出明确的答案。
只有在零件加工出来,进行装配时才能发现问题,再通过反馈来修改设计。
由于红外光学系统成本高,加工、装调的难度大,这种方法的弊端尤其严重。
因此,在设计中通过公差分析的手段研究设计参数与产品性能参数之间的相互联系是非常必要的[1]。
2 公差分析的原理与方法公差分析也叫公差验证,就是已知各组成环的尺寸和公差,确定最终装配后需保证的封闭环的公差。
将组成环公差作为输入,封闭环公差作为输出,当最终性能未满足要求时,重新修改输入公差。
红外成像系统
目录一、概论 (11、热像仪构成 (12、热成像功能: (13、热成像技术的优点 (14、红外成像阵列与系统分类 (15、热成像技术的划代 (16、典型技术特点 (27、制冷红外成像阵列与系统的发展 (47、非制冷红外成像阵列与系统的发展 (48、红外成像探测器的发展趋势 (5二、工作原理与结构 (51、串扫型热像仪 (62、并扫型热像仪 (73、串并扫型热像仪 (8四、常见的光机扫描机构 (91、旋转反射镜鼓做二维扫描 (92、平行光路中旋转反射镜鼓与摆镜组合 (103、平行光路中反射镜鼓加会聚光路中摆镜 (104、折射棱镜与反射镜鼓组合 (115、会聚光路中两旋转折射棱镜组合 (126、两个摆动平面镜组合 (12五、热成像系统基本技术参数 (121、光学系统的通光口径0D 和焦距0f (122、瞬时视场角α、β (123、观察视场角H W 、V W (134、帧时f T 和帧速∙F (135、扫描效率η (136、滞留时间d τ (13六、红外成像系统综合性能参数 (141、噪声等效温差NETD (142、最小可分辨温差MRTD (153、最小可探测温差MDTD (18红外成像系统一、概论能够摄取景物红外辐射分布,并将其转换为人眼可见图像的装置,就是红外热成像系统(简称热像仪。
实现景物热成像的技术称为热成像技术。
1、热像仪构成✓接收和汇聚景物红外辐射的红外光学组件;✓既实现红外望远镜大视场与红外探测器小视场匹配,又按显示制式的要求进行信号编码的光学机械扫描器(当使用探测元数量足够多的红外焦平面探测器时,光学机械扫描器可以省去;✓将热辐射信号变成电信号的红外探测器组件;✓对电信号进行处理的电子学组件;✓将电信号转变成可见光图像的显示器;✓进行信号处理的算法和软件。
2、热成像功能:✓将人眼的观察范围扩展到光谱红外区;✓极大地提高人眼观察的灵敏度;✓获得了客观世界与热运动相关的信息。
3、热成像技术的优点✓环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下,具有较好的穿透烟雾和尘埃的能力;✓隐蔽性好,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;✓识别伪装目标的能力优于可见光,具有较强的反隐身能力;✓具有较远的作用距离;✓与雷达系统相比,体积小,重量轻,功耗低。
红外连续变焦镜头的结构设计
万方数据第１期李永刚．等：红外连续变焦镜头的结构设计６１统，共有１４片透镜，包括变焦物镜系统和二次成像系统。
镜片数日的增加，有利于校正像差，可提高像质；二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证１００％的冷屏效率。
１．２变倍组导向机构选型连续变焦镜头在连续变焦的过程中，光轴随着变倍和补偿镜组的位移始终在跳动，而光轴跳动量的大小直接影响系统的性能指标。
所以变倍、补偿镜组的导向机构设计是此红外变焦距镜头结构设计的核心。
变焦距镜头导向机构的种类很多，按接触摩擦性质可分成两大类：滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。
滑动摩擦机构是导轨与移动镜组之间采用滑动接触方式，滚动机构是导轨与移动镜组之间采用滚动方式…。
常用的变倍机构有以下几种形式¨】：１．圆柱导轨滑动机构。
这种结构变倍精度高，径向结构尺寸小，适用于变倍和补偿组光学通光口径较小的结构。
２．两根圆柱导轨滑动机构。
由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。
但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。
一般适用通光口径３０—８０ｍｍ的结构。
３．三根圆柱导轨滑动机构。
这种结构的优点是运动舒适、平稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。
缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径５０—１２０ｍｍ的结构。
滚动摩擦机构就是在上述滑动摩擦机构的基础上，加上精密轴承或者精密钢球等，来减小摩擦力矩，提高系统总体性能。
根据以上经验，本文选用两根圆柱导轨形式，并且在变倍、补偿镜组与圆柱导轨之间采用精密直线轴承配合，使该机构由滑动摩擦变为滚动摩擦。
１．３调焦机构选型调焦组的作用是通过调焦机构，使调焦镜组沿光轴方向移动，以保证在远近不同距离上的物体，都能清晰地成像在像面上。
因此，它的机构优劣直接影响到变焦距镜头的成像质量。
光学系统调焦机构大体有三种方式，一种是凸轮调焦¨１，一种是采用直线电机调焦…，另一种是丝杠丝母调焦。
光学成像系统的分辨率研究
光学成像系统的分辨率研究引言光学成像系统是一种广泛应用于摄影、显微镜、望远镜等领域的技术。
其核心目标是获取并呈现高质量的图像。
在实际应用中，图像的清晰度是评估光学成像系统性能的关键指标之一。
分辨率是描述光学系统图像清晰度的定量指标，它取决于物理定律以及实验准备和过程。
一、物理定律在进行光学成像系统的分辨率研究时，首先需要了解几个与分辨率相关的物理定律：1. 光的衍射定律：根据赫曼·荷尔姆霍兹的衍射理论，当光经过物体边缘或孔径时，会发生衍射现象。
这种现象导致成像系统处于衍射极限，使得光的波面在像平面上出现弯曲，从而限制了图像的清晰度。
2. 光的干涉定律：干涉现象是指两个或多个光波相互叠加，形成干涉图样。
干涉现象不仅会对图像清晰度产生影响，还可以通过干涉条纹的间距和对比度来衡量分辨率。
3. 光的折射和反射定律：当光通过两种介质的界面时，会发生折射和反射现象。
根据斯涅尔定律和反射定律，可以计算出光线在折射率不同的介质中传播的方向和角度。
这对于光学成像系统中的透镜和镜面设计非常重要。
二、实验准备在进行光学成像系统的分辨率研究之前，需要准备以下实验设备和材料：1. 光源：光源是实验的基础，光源的选择需要根据实验要求和目的来确定。
常见的光源包括白炽灯、氘灯、激光器等。
实验中还需要对光源进行滤波或偏振处理，以获得特定波长或偏振方向的光。
2. 透镜和镜头：透镜和镜头是光学成像系统的核心组件。
根据实验目的，选择合适的透镜和镜头，如凸透镜、凹透镜、特殊形状透镜等。
这些透镜和镜头的选择将直接影响光学系统的分辨率。
3. 光学仪器：光学仪器包括显微镜、望远镜、光学投影仪等，用于观察物体或图像。
选择合适的光学仪器是对光学系统分辨率进行研究的基础。
4. 控制和检测装置：为了保证实验的准确性和重复性，需要使用控制和检测装置。
例如，使用光源控制器来调节光源的亮度和颜色温度；使用像平面相机或传感器来记录图像。
5. 样品和标准样品：准备样品和标准样品，用于测试和比较光学系统的分辨率。
红外探测技术的进展_应用及发展趋势
红外探测技术的进展、应用及发展趋势葛文奇（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）【摘要】简要介绍了红外技术的发展历史、成像原理及红外器件，并对制冷技术、红外光学系统、前视红外（ＦＬＩＲ）及红外搜索跟踪系统（ＩＲＳＴ）、红外隐身与对抗技术和数据融合技术做了概述，对红外器件、ＩＲＳＴ及其未来发展趋势进行了综述。
关键词：红外器件；制冷技术；光学系统；搜索跟踪系统（ＩＲＳＴ）；发展趋势中图分类号：ＴＮ２１５ＣｕｒｒｅｎｔＳｔａｔｕｓａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｓｏｆＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｅＷｅｎ－ｑｉ（ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｓｔｏｒｙｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｐｙ，ｉｍａｇｅｒｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｃｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＦＬＩＲ，ＩＲＳＴ，Ｉｎｆｒａｒｅｄｓｔｅａｌｔｈａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄａｔａｆｕｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄＩＲＳＴａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ｃｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ；ＩＲＳＴ；ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄ１引言红外技术在军事应用的牵引和推动下，得到快速发展。
红外系统有如下４方面优点：１．环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；２．被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；３．靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；４．红外系统的体积小、质量轻、功耗低。
光学系统的自动调焦方法
光学系统的自动调焦方法沈阳航空航天大学摘要自动调焦技术已经广泛应用于各种精密仪器中,常见的调焦方法根据其判别准则来源于物方还是像方,可分为主动法和被动`法,主动法是指吝种方式的物距检测;被动法则是像质评价。
被动法中的以数字图像处理作为调焦检测函数的方法,具有算法灵活多变、控制容易实现等优点。
采用图像处理法实现自动调焦的一个关键问题就在于图像清晰度评价函数的选取。
理想的评价函数要求:无偏性、单峰性能反映离焦的极性、对噪声敏感度低等,通常为提高效率,还希望计算量尽可能的小。
文章简要列举了常见的一些自动调焦方法。
关键词自动调焦智能调焦聚焦数字图像处理1引言在光学系统中,镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置,这个位置通常满足物像共扼关系,称为聚焦(Fouc)s;偏离了这个位置,将导致系统离焦(Deofuc)s,造成图像质量下降、成像模糊。
光学系统的相对孔径越大,离焦表现的效果越明显。
离焦会直接影响后续的信息提取和处理工作。
调整光学系统由离焦到聚焦的过程称为调焦。
能否准确快速调焦对于一个光学系统是非常重要的。
传统的手动调焦依靠人的目测和手调,耗时长,可重复性小,调整精度受人员主观影响较大。
20世纪70年代后,微电子技术.的突破、大规模集成电路和中央处理器的出现,使调焦开始由过去的目测和手调成为完全的自动控制,随着自动化水平不断提高,自动调焦技术也日臻完善,应用范围不断扩大,在自动化、高精度、高稳定性等方面都取得了很大进展,现已广泛应用照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器中。
2离焦的描述几何光学认为,平行光发出的光线经过理`想的光学系统,全部汇聚在焦平面上一点,而在离焦位置上(设占为离焦量)呈现弥散斑,弥散斑的形状与光学孔径形状相似。
以最常见的圆形孔径为例,图1中f为透镜焦距,D为透镜通光孔径,平行于光轴的光线经透镜在焦平面上汇聚成一点,如果探测器平面偏离焦平面,则得到一直径为d的弥散圆,其中d与偏移量占和通光孔径D成正比、与焦距f成反比。
红外连续变焦镜头凸轮曲线优化及运动学仿真
红外连续变焦镜头凸轮曲线优化及运动学仿真金丽漫;张宇;王彩萍;路文龙;黄攀;贾钰超;宋新成【摘要】With the development of manufacturing technology, the application of the mechanically compensated zoom lens is becoming increasingly widespread. The use of a cam is the key to ensuring precision, smoothness, and balanced driving force in the optical system. Furthermore, the pressure angle of the cam is influenced by its outer diameter, rotation angle range, and the motion law of the variation group.In this study, an infrared zoom lens is taken as an example, and while maintaining the outer diameter and rotation angle range of the cam as constants, the motion law of the zoom variation group is optimized; the optimized model is introduced into ADAMS for a kinematics simulation. The obtained simulation results show that the optimization method can be used to reduce the pressure angle of the cam in the short-and long-focus sections and eliminate the rigid impact of variation group at the constant velocity.%随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛.光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关.本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真.仿真结果表明:该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2019(041)002【总页数】6页(P147-152)【关键词】红外镜头;连续变焦;凸轮曲线优化;运动学仿真【作者】金丽漫;张宇;王彩萍;路文龙;黄攀;贾钰超;宋新成【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,云南昆明 650500;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明 650217;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明 650500;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明 650217;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明650217;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明 650217;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明 650217;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明 650500;云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明 650217【正文语种】中文【中图分类】TN214随着光学设计技术、机械制造技术、CCD制造技术和电子技术的飞速发展，变焦距镜头的应用越来越广泛。
可变焦距机器视觉镜头光学系统设计
可变焦距机器视觉镜头光学系统设计刘巧玲;陈丽娜;余华恩;柯华恒;梁秀玲【摘要】在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。
针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数，采用机械补偿形式，利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。
该系统工作距离可以在290 m m～340 m m范围内变化，实现了焦距从10 m m～100 m m的10倍多焦点变焦。
设计结果表明：该变焦物镜最大畸变小于1％，最大兼容0．84 cm （1／3英寸）CCD图像传感器。
用调制传递函数对系统的成像性能进行评估，该系统在空间频率100 lp／m m处调制传递函数大于0．3，满足成像要求。
%In machine vision systems ,lens is mainly responsible for imaging object on photosen‐sitive surface of image sensor .Based on machine vision systems ,the mechanical compensated zoom was adopted ,the Zemax software was used to design a visible multifocal zoom lens sys‐tem that could be applied in machine vision systems to address some specific situation w hile dif‐ferent magnification were required but working distance remained unchan ged during produc‐tion .The system has the working distance from 290 mm to 340 mm andthe focal length chan‐ging from 10 mm to 100 mm ,which makes 10 times multifocal zoom possible .The results show s that for this multifocal zoom lens ,the maximum distortion is less than 1% ,and it can best hold 1/3 inch CCD image sensor .The system imaging performance was assessed by modu‐lation transfer function(MTF) ,and MTF is greater than 0 .3 at the frequency of 100 lp/mm , w hich meets the imaging demands .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】7页(P199-205)【关键词】光学设计;变焦系统;机械补偿变焦;机器视觉【作者】刘巧玲;陈丽娜;余华恩;柯华恒;梁秀玲【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN942.2;O439引言典型的机器视觉系统一般包括光源、光学镜头、智能相机、图像处理单元（或图像采集卡）、图像分析处理软件、监视器、通讯／输入输出单元等。
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红外变焦距光学系统的研究
摘要:基于战场环境要求红外光学系统不仅可以兼顾大视场搜
索，还能够满足小视场瞄准跟踪的需求，针对160×128元非制冷焦平
面阵列探测器，设计了8～12μm波段折射式长波红外连续变焦系统。
该系统变焦过程中相对孔径不变，F数为3，变倍比为15∶1，在20～
300 mm范围内可连续变焦。用ZEMAX光学设计软件对设计结果进
行像质评价,结果表明，系统的调制传递函数接近衍射极限，成像质
量优良，满足光学系统的设计要求。
关键词:红外变焦距光学系统 光学设计 调制传递函数
Abstract:The battlefield environment requires the infrared optical
system can not only balance of large field of view based search, but also
can meet the requirements of small field of view aiming and tracking
requirements, according to the 160×128 element uncooled focal plane
array detector,designed 8～12 band reflection type infrared continuous
zoom system. The system of zoom process relative aperture
unchanged,number 3,zoom ratio is 15∶1, in the range of 20～300mm
continuous zoom. For image quality evaluation, the result of design with
ZEMAX optical design software results, function is close to the
diffraction limit transfer system modulation, good imaging quality,meet
the requirements of the optical system design.
KeyWords:InfraredZoomOptical System;Optical Design;Modulation
Transfer Function
近些年来，随着红外光学技术的快速发展及其应用范围的不断扩
展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。这是由于红外连续变
焦光学系统的焦距在一定范围内连续改变时，像面稳定并且保持良好
的像质，从而可实现像面景物的大小连续可变，得到定焦镜头无法达
到的视觉效果。本文设计的远红外连续变焦光学系统采用机械式补偿
方式对像面漂移进行补偿，实现了仅用七片透镜，达到高性能、高质
量的要求；未采用非球面或衍射元件，便于实际加工与应用，并给出
了具体的设计参量、设计步骤、变倍曲线和补偿曲线，验证了系统应
用的可行性。
1 红外变焦系统的设计原理
变焦系统原理是为达到改变系统焦距的目的通过采用改变光学
透镜的空气间隔来实现。但系统组元间在改变间隔的过程中像面会发
生漂移，因此,要想得到不变的像面必须对其进行补偿,经常采用的补
偿方式是光学补偿和机械补偿两种。
1.1 光学补偿方法是将镜头中的若干透镜或组元用机械方法连
在一起同步移动,达到补偿效果
但系统不可能实现完全的补偿像面位移，移动组作用位置受限,
即移动组必须移动到系统中某几个特定的点,才能得到稳定清晰的像
面,由此系统不易实现连续变焦。当系统变倍比较高时,像面漂移量较
大,由此局限了使用范围,大大增加了光学设计的难度,所以较少使用。
1.2 机械补偿方法的实质
光学系统中变倍组沿光轴方向做线性移动,而补偿组采用的是沿
光轴方向做相对少量的非线性移动,通过这样的运动补偿方式达到光
学系统既满足变倍要求且能保证像面位置又稳定的要求[3]。采用机
械补偿方法的光学系统设计中,要求焦距在一定范围内连续变化；保
证整个系统的相对孔径基本保持不变；连续变焦过程中像面位置及尺
寸保持稳定不变；像质满足技术要求，连续变焦系统的要求是在连续
变焦过程中,各个变焦位置像质必须保持稳定一致,而不是某一两个固
定位置像质保持稳定[4]。
2 光学系统设计
2.1 光学系统技术指标
根据用户的要求，该镜头的技术参量为：波长范围8～12μm，变
焦镜头的焦距为20～300 mm，其F数为3，系统采用160×128元非
制冷焦平面阵列探测器，像元尺寸为50 μm×50 μm，由此确定该系统
的截止频率为10 lp/mm。
2.2 光学系统材料及结构选取
在红外8～12 μm波段，透镜材料通常选取常用的硫化锌（ZnS）、
锗（Ge）、硒化锌(ZnSe)[5]。
根据设计参量，通过在已有结构基础上进行修改，得到了如图1
的变焦系统初始结构图。该结构由七片透镜构成，其中前固定组和补
偿组为一片透镜，变倍组为两片透镜，后固定组由三片透镜组成。前
固定组用于聚焦近距离的物体；变倍组通过移动改变系统的焦距；补
偿组通过凸轮移动来保持像面稳定；后固定组用于承担系统的大部分
光焦度，因为变焦系统补偿组的光焦度为负，所以该系统为负组补偿
系统[6]。
2.3 设计过程分析与设计结果
在使用ZEMAX光学设计软件优化本系统时，为了满足系统的设
计要求，经过了反复试验，多次优化。
光阑位置设置与第9个面重合，由于光阑与透镜相重合，所以能
够较好的校正畸变和倍率色差。同时能够有效的减小透镜的直径，减
小系统尺寸。经优化缩短系统总长度后，该系统在三个焦距下的结构
总长均为330 mm，满足了像面稳定的需求。按照三级像差理论，采
用一种材料，无法校正色差，更不能校正色球差，像质改善不明显，
因此在原有的结构基础上更换玻璃材料，采用硫化锌代替锗作为最后
一片透镜的材料。本系统中未引入了非球面元件，未采用衍射元件，
便于实际加工及应用。应用ZEMAX设计软件中的多重结构命令，选
取短焦（20 mm）、中焦（160 mm）、长焦（300）三个状态作为评判
标准，用来评价系统的像质，实现连续变焦。
光学系统结构。基于上述理论分析，应用ZEMAX软件对系统进
行优化设计，得到的远红外连续变焦光学系统的二维结构如图2所
示，(a)～(c)图分别为短焦、中焦和长焦3种情况下的结构。
3 变焦凸轮曲线分析
通过ZEMAX光学设计软件中的多重结构,可以得到变焦系统在
变焦过程中变倍组与补偿组离散的相对位置关系，并用Matlab软件
进行编程得到凸轮加工的拟合曲线，如图3所示。此时以20 mm短
焦作为初始点,纵坐标为变倍组的线性移动距离，横坐标为两运动组
元相对于初始点的位置。
4 结论
本文针对160128元非制冷焦平面阵列探测器设计了远红外连续
变焦光学系统。采用机械式补偿方式对像面漂移进行补偿，实现了仅
用七片透镜，达到高性能、高质量的要求；未采用非球面或衍射元件，
便于实际加工与应用。设计结果表明，系统的调制传递函数接近衍射
极限，成像质量优良，满足光学系统的设计要求。满足了对目标跟踪
识别的实际应用需求。
参考文献
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