全反射式红外变焦光学系统设计_冯俐铜

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大相对孔径红外变焦距光学系统设计

大相对孔径红外变焦距光学系统设计秦志鹏，车新宇，肖颖【摘要】摘要：设计了工作在8～12μm波段的非致冷红外连续变焦光学系统。

该系统由4组元5片透镜组成，其中前固定组、变倍组和补偿组均只有1片透镜，后固定组为两片。

焦距50～200mm，相对孔径较大，为1∶1。

设计过程中编写了适用于二组元变焦系统的ZEMAX宏程序，该程序可给出凸轮曲线的数据和形状，同时使像面位置不受限于高斯光学关系，能够满足某些焦距位置离焦的要求。

系统在空间频率为20lp/mm处，各个视场的MTF值均在0.4以上。

【期刊名称】长春理工大学学报（自然科学版）【年(卷),期】2013(000)005【总页数】4【关键词】光学设计；红外变焦；衍射光学；ZEMAX宏程序由于红外光谱的辐射和传输特性，使红外光学系统具有一定的穿透烟、雾、霾等限制的能力，还具有环境适应性好、隐蔽性好、能在一定程度上识别伪装目标的优点。

焦距可变的红外光学系统可以在短焦大视场时对大范围扫描，同时也可在长焦时进行小范围的仔细观察，克服了传统的定焦光学系统换镜头导致的像不连续，短时间目标丢失的缺点［1，2］。

基于以上优点，近年来，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。

本文设计了结构紧凑的长波红外连续变焦距光学系统。

同时将ZEMAX宏程序给出凸轮曲线数据和形状的方法应用到本设计中［3］，这种方法具有不受限于高斯光学计算，能够满足某些焦距位置离焦要求的特点。

1 光学系统设计1.1 光学设计指标要求该长波红外连续变焦光学系统采用384×288非制冷焦平面阵列探测器［4］，像元尺寸为25μm×25μm。

该系统的设计指标要求，如表1所示。

1.2 光学设计思想本设计的相对孔径较大、焦距较长，在这种情况下为使光学筒长较短，采用机械补偿中有利于减小总长的负组补偿形式；由于红外材料的透过率较低，应用较少的透镜数量，以提高到达像面的能量；利用衍射面具有负阿贝数的色散特性来校正色差［5］，将衍射面设置在前固定组的后表面，因为前组的色差会被后面的组元放大，因此在前组消色差。

折射／衍射混合长波红外连续变焦光学系统设计

Ｔｈｅｂｉｎａｒｙｓｕｒｆａｃｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅｌａｔｅｒａｌｃｏｌｏｒａｎｄｏｔｈｅｒｈｉｇｈｏｒｄｅｒａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓａｎｄｔｏｍｏｄｉｆｙｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍａｇｅｑｕａｌｉｔｙｗｅｒｅｇｉｖｅｎｂｙＣＯＤＥＶｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ
王保华１，２，刘英，孙强，王媛媛一，张建忠１，２，姜洋１，２
（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；２．中国科学院大学，北京１０００４９）摘要：为了提高图像的分辨率，提高红外系统的探测距离和探测精度，满足多种条件下的使用要
第４２卷第１期
Ｖ０１．４２ＮＯ．１
红外与激光工程
ＩｎｒａｆｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年１月Ｊａｎ．２０１３
折射／衍射混合长波红外连续变焦光学系统设计
２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｒｅｒａｆｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｌｏｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｒａｆｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄ

红外折衍混合摄远光学系统无热化设计

红外折衍混合摄远光学系统无热化设计张婉怡【摘要】为了提高远距离红外目标的探测能力,针对640 pixel×512 pixel红外CCD探测器,分析温度变化对光学系统的影响,设计出一种波长范围为8 μm~12 μm红外摄远物镜.系统采用折衍混合结构形式,焦距为200 mm,相对孔径为1:2.2,视场角为7°,具有体积小,结构紧凑的优点.仅使用硫化锌、硒化锌和锗3种材料以及4片透镜实现了无热化设计.应用Zemax对设计结果进行像质评价,在-40 ℃~+60 ℃工作温度范围内,截止频率为17 lp/mm时各视场调制传递函数值超过0.4,达到衍射极限,像面稳定,80%的能量集中在1个像元内,满足光学系统的设计要求.%In order to improve target detection ability of IR images in long range effectively, an infrared telephoto objective for 8 μm~12 μm wave-band is designed for 640 pixel×512 pixel infrared CCD det ector.Effects of surrounding environmental temperature are analyzed and refractive diffractive hybrid thermal compensation is discussed.Focal length of the system is 200 mm, relative aperture is 1:2.2 and field of view is 7°.Infrared telephoto system with small volume and compact structure is designed in a large range of temperature.The system is composed of four lenses with only three materials of zinc sulfide, zinc selenide and germanium to compensate for the temperature.Image quality of the system is evaluated by ZEMAX optical design software.Results show that modulation transfer function (MTF) for each field of view at cut-off frequency of 17 lp/mm is greater than 0.4 which approaches diffraction limit.Root mean square radius of spot diagram for each field of view is close to Airy diskradius.Telephoto objective has favorable performance at working temperature of-40 ℃~+60 ℃.The system meets the requirements of technical specification.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】7页(P12-18)【关键词】红外摄远物镜;光学设计;折衍混合;无热化;目标探测【作者】张婉怡【作者单位】长春理工大学光电信息学院,吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TN219近年来红外成像技术已成为目标探测技术发展的方向之一，低成本的非制冷热成像技术也随着红外热成像技术发展起来。

三视场红外搜索光学系统的设计

三视场红外搜索光学系统的设计胡博;杨子建;韩昆烨;高婧;王凌;张宣智【摘要】设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统,其中大中视场利用透镜组切换变倍,小视场和大视场利用反射镜切换变倍.设计中采用二次成像的方式,3个视场共用二次成像透镜组,保证100％冷屏效率,减小第1片透镜的过口径.同时,采用非球面技术校正系统的球差和彗差,通过光学设计软件CODE V仿真,得出最大的点列斑为11 μm左右,并且MTF接近衍射极限,成像质量完全满足使用要求.最后,该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体积小的特点.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2013(034)003【总页数】5页(P397-401)【关键词】红外光学系统;二次成像;非球面;光学设计【作者】胡博;杨子建;韩昆烨;高婧;王凌;张宣智【作者单位】西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN216;TH703引言随着科学技术的发展，红外成像技术已广泛应用在国防、工业、医疗等领域。

红外探测属全被动式的工作方式，不易被对方发现和干扰。

而且，红外探测具有一定的穿透烟、雾、霾、雪以及识别伪装的能力，不会由于炮口火焰的强闪光和炸弹硝烟而产生迷盲效应，可以实现远距离－全天候观察，尤其适用于夜间及不良气象条件下的目标探测。

随着红外成像技术在各领域的深入研究，多视场红外系统已广泛应用于各类武器装备中，为满足红外系统搜索与跟踪目标的目的，红外搜索跟踪系统一般具有2个或者2个以上的视场，大视场搜索小视场跟踪。

国外许多光电装备变倍系统一般设计为3个视场，搜索时为宽视场，跟踪时为窄视场，中视场为过度视场，实现红外搜索和跟踪一体化［1］。

扫描型长波红外连续变焦光学系统

第8卷　第1期2015年2月　中国光学 Chinese Optics Vol.8　No.1　Feb.2015 收稿日期:2014⁃10⁃17;修订日期:2014⁃12⁃26 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2013AA0342)文章编号　2095⁃1531(2015)01⁃0107⁃07扫描型长波红外连续变焦光学系统骆守俊∗,夏寅辉,杨宁宁,于繁迪(华北光电技术研究所,北京100015)摘要:基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器,根据红外扫描成像系统原理,设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。

根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图,并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。

该光学系统采用三次成像的结构,由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成,包含9片透镜和2片反射镜。

为了降低校正色差成本,系统使用了硫系玻璃镜片。

光学仿真结果表明: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%。

最后,对系统进行了成像实验验证,结果表明:该系统可以实现30.8~154mm 范围内连续变焦,变焦过程中目标景物清晰,细节分辨率高,无冷反射现象出现,该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。

关　键　词:红外扫描系统;连续变焦;冷反射;三次成像中图分类号:TN215 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20150801.0107Long⁃wavelength infrared continuouszoom scanning optical systemLUO Shou⁃jun ∗,XIA Yin⁃hui,YANG Ning⁃ning,YU Fan⁃di(North China Research Institute of Electro⁃optics ,Beijing 100015,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :luoshoujun@Abstract :Using infrared scanning system principle,a novel long⁃wavelength continuous zoom scanning optical system is presented based on 4×288infrared MCT detector dewar cooled assembly.Related optical index pa⁃rameters are resolved and calculated according to requirements of system,and the optical design parameters and outside view are obtained by the optical design software.The narcissus effect of the scanning optical sys⁃tem are analyzed and optimized.The optical system is composed of zoom telescope,scanning mirror,relay lens,imaging lens and a tertiary imaging system including nine lenses and two reflectors.In order to reduce cost and optical color aberrations,chalcogenide glass lens is used.The optical index is simulated,and the MTF in whole field at Nyquist frequency is over 0.35and distortion is below 2%.Finally the system imaging experimental verification is conducted.The results indicate that 30.8~154mm continuous zoom and 100%cold shield efficiency are achieved.High resolution,thermal sensibility,excellent images are validated.Key words :infrared scanning system;continuous zoom;narcissus effect;tertiary imaging1　引　言红外成像系统具有全天候工作,不需要辅助照明,并且其被动工作方式不会被对方电子干扰,图像直观,易于观察等优点,在警戒、侦察和制导等军事领域中得到了广泛应用[1⁃3]。

基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统设计

Design of an infrared zoom imaging system based on concentric spherical lens with wide FOV and high resolution
YANG Wei1，2， LIU Jia-Wei1，2， HAN Ping-Li1，2， SHAO Xiao-Peng1，2， ZHAO Xiao-Ming1，2* （1. Xi’an Key Laboratory of Computational Imaging，Xidian University，Xi’an 710071，China； 2. School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian University，Xi’an 710071，China）
基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统设计
杨威， 1，2 刘佳维， 1，2 韩平丽， 1，2 邵晓鹏， 1，2 赵小明 1，2*
（1. 西安电子科技大学西安市计算成像重点实验室，陕西西安 710071； 2. 西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安 710071）
摘要：针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求，设计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统 . 该系统采用由多层ห้องสมุดไป่ตู้心球透镜和可连续变焦的独立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构，能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像 . 此外，采用全动变焦设计的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定，实现对成像场景的分区域管理 . 设计结果表明，该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数（MTF）曲线均接近衍射极限，且变焦曲线平滑，避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生，能有效实现大视场监测及小视场识别的功能 . 关键词：光学；大视场成像；共心球透镜；全动变焦；目标探测与识别；红外系统中图分类号：O435 文献标识码：A

制冷型被动式消热差红外光学系统设计

文章编号 2097-1842（2023）04-0853-08制冷型被动式消热差红外光学系统设计李　康1，周　峰2 *，王保华1，宫　辉1，郑国宪1（1. 北京空间机电研究所, 北京 100076；2. 北京邮电大学，北京100876）摘要：在大温差条件下，由于温度剧烈变化导致红外光学系统成像质量变差。

用于机载林火监测的大视场中波红外相机工作环境变化剧烈，对杂散辐射要求较高。

为保证光学系统在要求的大视场和大温差条件下具有稳定的性能和良好的成像质量，通过基于消热差的设计方法和基于噪声等效温差的杂散辐射综合评价方法，设计了一套制冷型中波红外光学系统。

该光学系统由6片透镜和1片滤光片组成，工作波段为3.7~4.8 μm ，F 数为2.5，焦距为62.5 mm ，视场为14.36°×10.87°，探测器采用640×512 阵列中波制冷型探测器，通过采用硅、锗材料组合，合理分配光焦度，实现了消色差和消热差设计，通过冷反射优化和冷光阑匹配设计，较好地抑制了系统的杂散辐射噪声，通过引入少量非球面优化，在满足指标要求的情况下，对高阶像差进行了校正。

结果表明，光学系统在−55~+70 °C 温度范围内，成像质量稳定良好。

关键词：中波红外；制冷型探测器；消热差；冷反射中图分类号：TN216 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2022-0205Passive athermalization design of a cooled infrared optical systemLI Kang 1，ZHOU Feng 2 *，WANG Bao-hua 1，GONG Hui 1，ZHENG Guo-xian 1（1. Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity , Beijing 100076, China ；2. Beijing University of Posts and Telecommunications , Beijing 100876, China ）* Corresponding author ，E-mail : zfsimon@Abstract : Under conditions with large temperature differences, the imaging quality of an infrared optical sys-tem will deteriorate due to severe temperature changes. Large field-of-view medium-wave infrared cameras for airborne forest fire monitoring work in drastically changing environments, so the optical system has high requirements for stray radiation. In order to ensure that the optical system performs stably and with good ima-ging quality in the large field-of-view and the required large temperature range, a cooled medium-wave in-frared optical system is designed based on athermalization and the comprehensive evaluation method of stray radiation based on noise equivalent temperature difference. The optical system consists of 6 lenses and 1 fil-ter with working wavelength of 3.7−4.8 μm, F-number 2.5, focal length 62.5 mm, and field of view 14.36°×10.87°, respectively. The pixel resolution of the medium-wave cooled detector is 640×512. By using a combination of silicon and germanium materials and reasonably distributing the optical power, achromatic aberration and athermalization designs are realized. Through cold reflection optimization and cold aperture matching, stray radiation noise in the system is well-suppressed. By a bit of aspheric optimization, higher-or-收稿日期：2022-09-28；修订日期：2022-11-02基金项目：高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）Supported by Major Projects for High Resolution Earth Observation System (Civilian Part)第 16 卷　第 4 期中国光学（中英文）Vol. 16　No. 42023年7月Chinese OpticsJul. 2023der aberrations are corrected based on the requirements. The results show that the imaging quality of the op-tical system is stable and good in the temperature range of −55~+70 °C.Key words: medium wave infrared；cooled detector；athermalization；cold reflection1 引　言森林是地表最重要的生态系统，基于飞艇机载的大视场中波红外成像系统是森林监测的重要工具。

长波红外连续变焦光学系统的设计

第４０卷第７期
Ｖｏ．０ＮＯ．１４７
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｇｎｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｒｎ
２１０１年７月
Ｊ．２ｕ１０１Ｉ
长波红外连续变焦光学系统的设计
高、积小、质好等特点，应用于众多光电探测领域。体像可
关键词：红外光学；变焦距系统；光学设计
中图分类号：ＴＢ１３３文献标志码：Ａ文章编号：０７２７（０１０ —１７ — ３１０ — ２６２１）７２９０
长足发展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针对３０２６凝视型焦平面阵列探测器，２￣５设计
了长波红外连续变焦光学系统。其工作波长范围为８１ｍ，～２ＩＦ数为２５变倍比为１：。并用光学设ｘ．，０ｌ计软件ＣＤＯＥＶ进行了仿真计算和像质评价，系统在空间频率１／ｍ处，焦距范围内调制传递６ｌｍｐ全函数在０３．５以上，近衍射极限。设计结果表明，接长波连续变焦红外光学系统具有变倍比大、分辨率
ｔｔｈｓｏｔｃｌｙｔｍｓａｇｏｍａｉｈａｔｉｐｉａｓｓｅｈａｌｒｅｚｏｒｔｏ，ｈｇｅｏｕｏｉｈｒｓｌｔｎ，ｓａｌｖｌｍｅａｄｅｃｌｅｔｉａｅｑａｉｉｍｌｏｕｎｘｅｌｎｍｇｕｌｔｙ．

中波红外周视光学系统

第51卷第9期2021年9月激光与红外LASER&INFRAREDVol.51 ,No.9September,2021文章编号：1〇〇1-5078(2021)09-1227>04 .光学技术•中波红外周视光学系统孙浩，于兴，高益，邓岩，梁进智(北京华北莱茵光电技术有限公司，北京100015)摘要:介绍了一种采用等距投影物像关系设计的中波红外周视光学系统，系统采用折反混合方案，设计视场为360 x( -15° ~ +50°),能够实现360°方位和一定俯仰角度范围内的凝视成像，适用于红外反狙击手探测及类似应用场景下的态势感知。

关键词：周视成像；红外光学；光学设计中图分类号:TN219 文献标识码：A D O I：10.3969/j.i s s n. 1001-5078.2021.09.019Mid-wave infrared panoramic optical systemSUN Hao,YU Xing,GAO Yi,DENG Yan,LIANG J i n-z h i(Beijing North China Rhine Opto-Electronics Technology,Beijing 100015,China)Abstract:A mid-wave infrared panoramic optical system i s designed，which i s based on adopt equidistant projection object-image relationships. In order t o realize the staring imaging a t a certain pitch angle in a 360° viewing range,we use a catadioptric optical structure where the field of view( F O V)i s designed as 360 x ( - 15° ~ + 50o )•The proposed system i s suitable for situational awareness in counter sniper detection and the other similar scenarios.Keyw o r d s：panoramic imaging；infrared optics； optical designi引言战法灵活的狙击战，被广泛应用于现代战争。

高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计

- ??F -
应用光学 !$%&'$!"!#"! 操 ! 超 $等 &高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计
力(消防(工业(医疗(安防等领域应用非常广泛$ 但非制冷焦平面探测器灵敏度低$因此在实际应用中要求非制冷红外光学系统的 % 数越小越好$ 一般要求系统 % 数小于&:@%
收稿日期 $%&'>%#>$##! 修回日期 $%&'>%'>%' 基金项目国家自然科学基金 !#&@%&F$"" 作者简介操超!&""$A "$男 $湖北黄冈人 $博士研究生 $主要从事光学系统设计方面的研究 %B>C-2.&7V-)'##"'@#"!&#!:7)C
中图分类号 I;$&##5F!@! ! ! ! 文献标志码 0! ! ! !!"#&&%:@?#''(05$%&'!":%#%&%%$
!$%&'()*?&'?H))3-+.&)IJ#CH))3%6%.$3 :&.?4+-'$-$4+.&2$+,$-./-$
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r2 = 2
1 m30
-m30-
1 m3
+m3
r3 2
(9)
1.2 反射变焦系统初始结构求解
当已知 m20，m30，m2 时，根据公式(9)，可以求得：
2
m3 -bm3-1=0
(10)
其中
≤ ≤ b=- r2 r3
m2-
1 m2
-m20+
1 m20
+(m30-1/m30)
根据公式(10)知 m3 存在两个可能解：
-m20
r2 + 2
1 m30
-m30
r3 2
(7)
次镜和三镜在移动后共轭距之和为：
≤ ≤ ≤ ≤ L2+L3=
1 m2
-m2
r2 + 2
1 m3
-m3
r3 2
(8)
次镜和三镜在移动前后共轭距需保证相等 [6]，得：
≤ ≤ ≤ ≤ 1 m20
-m20-
1 m2
+m2
(Tianjin Key Laboratory of Optical Thin Film, Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics, Tianjin 300192, China)
Abstract: With the limit of IR optical materials, it is difficult to design athermalized refractive zoom IR optical systems with a simple configuration. All-reflective zoom IR optical systems could be lightweighted, compact and free of chromatic aberrations, whose athermalization is easy, and reflective optical systems can be unobscured by offsetting mirrors. Basic theory of reflective zoom optical systems was discussed. Gauss solution of initial configurations of reflective zoom systems was analyzed, and the method of calculating initial configurations was given. An off-axis three-mirror reflective zoom IR optical system was designed, whose effective focal length varied from 300 mm to 600 mm, F number is 2.1, and working wavelength was between 8 μm and 12 μm. The system used an uncooled LWIR detector with a cutoff frequency as 14 lp/mm. The reflective zoom system has a stable image plane and good imaging quality, whose process of zooming is linear continuous. Key word: infrared optical system; zoom system; reflective mirrors
置的倍率。
变焦是通过调节反射镜之间的间隔来实现的，
相邻反射镜的间隔为：
≤ ≤ di,i+1=(1-mi)fi′+
1 -1 mi+1
fi+1′
(3)
式中：fi′为第 i 个反射镜的焦距，其和反射镜曲率半
径 ri 的关系为：
fi′=fi=
ri 2
(4)
第 i 个反射镜的共轭距为：
(1)
式中：f1′ 为主镜的焦距，mi(2≤i≤n) 为后续反射镜 i
的倍率。
变焦系统的变倍比为：
Γ= fl′ = m2lm3l…mnl
(2)
fs′ m2sm3s… mns
式中：fl′为变焦系统长焦；fs′为短焦；mil 为第 i 个反射
镜在长焦位置的倍率；mis 为第 i 个反射镜在短焦位
摘要：针对透射式红外变焦光学系统结构复杂，无热化设计较难等问题，提出全反射式红外变焦光学系统设计。讨论了该光学系统的变焦理论，对反射变焦系统初始结构进行了高斯解分析，给出了其初始结构的计算方法。设计了一离轴三反射镜红外变焦系统，系统焦距为 300～600 mm，F 数为 2.1，工作波段为 8～12 μm，采用某型非制冷长波红外探测器，截止频率为 14 lp/mm，系统变焦过程近似线性连续，像面稳定，像质良好。关键词：红外光学系统；变焦系统；反射镜中图分类号： TN21；O43 文献标志码： A 文章编号： 1007-2276(2012)10-2749-04
f2′=-1，f3′=-3.5，m20=-2.25，m30=-0.3，将反射式变焦系统所满足的高斯公式编成程序， [8-9] 计算出当变倍比
Γ =2 时，m2=-0.695，m30=-0.485 或 2.062，其中后者
因不满足连续变焦条件被舍去。初始结构的计算结
果如图 2 所示，图 2(a)表示次镜和三镜的倍率随变
图 2 三反变焦系统初始结构计算结果 Fig.2 Initial configuration of TMA zoom system
变倍比的变化关系，其中曲线 A-A′代表次镜变化轨迹，曲线 B-B′和 C-C′代表三镜变化轨迹，即公式(10) 所得出的两个相应解，舍去 C-C′所代表的解，因为
收稿日期：2012-02-05 ；修订日期：2012-03-23 基金项目：国防预研项目作者简介：冯俐铜 (1987-) ，男，硕士生，主要从事红外光学系统设计方面的研究。 Email:fenglitongae86@ 导师简介：孟军合 (1964-) ，男，研究员，主要从事光学系统总体方面的研究。 Email:mengjunhe@
第 41 卷第 10 期 Vol.41 No.10
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2012 年 10 月
Oct. 2012
全反射式红外变焦光学系统设计
冯俐铜，孟军合，张振，陶玉，顿雄，朱立新，吴晓靖，张晨钟，杨继兴，雷丽，李景，陈鑫，赵侃
(天津津航技术物理研究所天津市薄膜光学重点实验室，天津 300192)
2750
红外与激光工程
第 41 卷
0引言
现代红外成像系统对搜索能力的要求日益提高，要求既能在大区域内实现粗略识别，又能在小区域内实现仔细观察，而这一能力主要依靠红外变焦光学系统来实现，所以红外成像系统对变焦光学系统的需求与日俱增。常规的红外变焦系统多为透射式，但因红外光学材料种类有限，且热差严重，导致透射式红外变焦系统大多结构复杂，面临轻量化、无热化设计等难题。反射式红外光学系统具有结构紧凑、重量轻、易做到大孔径、工作谱带宽、无色散、热差很小等优点，并且经过离轴优化后，可以解决系统中心孔径遮拦问题，因此可变焦的反射式红外光学系统具有很好的应用前景。 [1-3] 反射系统变焦理论和折射系统变焦理论一脉相承，都是通过调节变倍组和补偿组与其它组分的间隔来改变系统焦距，同时保证光学系统总长不变，像面稳定[4]。文中所讨论的光学系统为经典的三反射镜(TMA)系统，系统只有 3 个成像组件，其中将次镜作为变倍组，三镜作为补偿组。三反射镜系统的设计理论文中不再赘述，下面主要讨论反射系统变焦理论。
透射式变焦系统不同，透射式变焦系统在 m2=-1 时 m3 取得极值[7]。但在计算反射式变焦系统初始结构时，
仍将 m2 的初始值取在 -1 左右，因为 m2=-1 时，次镜
的共轭距最短，有利于使系统结构紧凑。设 f1′=-10，
倍比的变化关系，图 2(b)表示次镜和三镜的位置随
该情况不满足三反系统的结构要求。
3 光学系统设计
反射式红外变焦光学系统的设计参数为：有效焦距 f′=300~600 mm，F 数 2.1，工作波段 8~12 μm，系统采用某型非制冷探测器，截止频率 14 lp/mm。将初始结构输入 CODE V 后，将其放大至所需焦距，然后进行离轴优化设计，设计结果见图 3 和图 4，图 3 为系
m3=
b±
姨b2
2
+4
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第 10 期
冯俐铜等：全反射式红外变焦光学系统设计
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由 b2+4＞0 可知，反射式变焦系统不存在换根变
焦方法。对公式(9)两边微分得：