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![中波红外变焦距系统的光学设计[1]](https://img.taocdn.com/s1/m/09cb8e0cba1aa8114431d91a.png)
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。
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］。
中波红外连续变焦光学系统红外成像技术由于具有众多优势而应用于侦查、制导等军事领域。
连续变焦光学系统是解决大视场搜索小视场分辨的最佳途径。
因此对红外连续变焦光学系统的需求会日益增强。
本文将介绍中波红外连续变焦光学系统的设计方法，并给出设计实例。
设计采用中波红外凝视型焦平面320 μm×240μm像元制冷探测器，探测器像元为30μm×30μm。
系统工作波段为3.7~4.8μm；焦距变化范围20~200 mm；F数为2.5；像高12 mm。
光学补偿型的工作方式是变倍组固定，通过聚焦组与补偿组的移动来实现系统焦距的变化，像面位置在变焦过程中有漂移，如图1所示。
聚焦组与补偿组的移动是同方向等速度的，只需用机械把两镜组连在一起作线形移动即可，因此其机械结构简单、不需要凸轮。
不过镜组必须移动到某些特殊的位置才能得到稳定清晰地像面。
适用于变倍范围和数值孔径较小的系统。
机械补偿型的工作方式是聚焦组固定，变倍组与补偿组按不同的运动规律作较复杂移动以实现变化焦距，像面位置在变焦过程中保持稳定，如图2所示。
机械补偿法可以实现焦距连续变化，但其机械结构复杂、凸轮加工难度大。
不过随着机械加工工艺的提高，机械补偿法的优势越来越明显。
故选择机械补偿式的变焦系统。
共口径双通道红外扫描成像光学系统该系统包括前端共用的双反射系统、分束镜、准直镜组、扫描镜和成像镜组。
光波经过双反射系统在主镜之后被分束镜分成中波红外通道（3μｍ～5μｍ）和长波红外通道（10μｍ～12μｍ），经准直镜组及成像镜组会聚探测器上，实现中波红外系统与长波红外系统共口径同步成像。
长波红外光学系统设计①共用结构两反系统对于两反系统，主镜相对口径的选择主要和两反系统的相对口径有关。
若两反系统焦距较长，主镜相对口径可以取小一些，即焦距长一些，容易加工。
若两反系统焦距较短，主镜的焦距也就越短，在口径一定的情况下，主镜焦距越短，主镜的相对口径就越大，从缩短镜筒长度来说，当然主镜相对口径越大越有利，但加工难度增加，加工难度同相对口径的立方成正比，所以两反系统的相对口径不能取得太小。
机载轻小型中波红外连续变焦系统设计葛婧菁;林招荣;朱大凯【摘要】针对制冷型320×256凝视焦平面阵列探测器,设计了一套4倍中波红外连续变焦光学系统,用于轻型机载光电探测和跟踪吊舱设备.该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和2个反射镜构成,为了避免非球面的加工及检测误差影响,本系统只使用球面.设计结果表明,系统实现了37.5 mm～150 mm的连续变焦,工作波长范围为3.7μm～4.8 μm,F数为4,满足100％冷光阑效率,系统在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处,所有焦距位置和视场的MTF均大于0.55,接近系统的衍射极限.该变焦系统总长280 mm,质量仅为110 g,具有体积小、质量轻、分辨率高、变焦轨迹简单等优点.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2013(034)005【总页数】5页(P728-732)【关键词】连续变焦;红外系统;光学设计;航空相机【作者】葛婧菁;林招荣;朱大凯【作者单位】北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TN216;TH703引言红外成像技术在警戒、侦察、地面防空和制导等领域中广泛应用，是目前各军兵种都非常需要的新型高科技技术。
红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强以及能在一定程度上达到识别伪装目标，同时设备体积小、质量轻、功耗低等优点，受到众多相关研究人员的关注。
一般红外变焦成像光学系统分为连续变焦和定档变焦两种，定档变焦又多以2档、3档变焦为主［1-2］。
连续变焦红外光学系统用于机载光电侦察系统，不仅可以完成大视场的目标搜索和小视场的目标侦察、瞄准、跟踪，而且在视场转换过程中能够保持图像的连续性，解决了2档与多档镜头在视场切换的时间间隔内对运动目标丢失这一缺陷，该系统因此被广泛应用于机载光电侦察设备中［3］。
然而，当前的中波红外变焦系统设计，外形尺寸都无法满足机载轻小型的使用要求［4-8］，无法安置于机载轻小型Φ230mm球形吊舱之中。
紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计顾宪松【摘要】针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器,设计了一个30×连续变焦光学系统.介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路,不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况,还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变.实验结果表明:该系统工作波段3.7μm～4.8 μm,可以实现18 mm～540 mm连续变焦,全焦距范围内的离焦量都在焦深以内,长焦段最大畸变接近于0,短焦段最大畸变小于3％.该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点,可用于红外光电探测和跟踪系统.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】6页(P33-38)【关键词】光学设计;中波红外;连续变焦系统;大变倍比【作者】顾宪松【作者单位】北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TN216引言红外变焦成像系统分为连续变焦和定档变焦两种。
由于定档变焦两个视场间的倍率大于4倍时观瞄切换容易丢失目标，而连续变焦则不会丢失目标[1-3]。
因此，目前的大变倍比红外光学系统大多采用连续变焦的形式。
国外，Yoram[4]等人利用三组元变焦原理、三次成像结构设计了一款30倍连续变焦光学系统。
国内江伦[7]等也设计了一款高变倍比红外镜头。
这两款的特点是采用多组元变焦系统结构以缩短单组行程。
许照东[5]等设计了一款针对GMT 640×512元，面元间隔15 μm，F数3，焦距14 mm～280 mm的中波红外连续变倍光学系统。
周昊[6]等人也设计了一款25倍的中波红外连续变焦系统。
这两款的特点是，进行合理的结构选型的同时设置较小的长焦焦距[5-6]以减小动组行程，使用2片反射镜折转光路[5-6,8]，优化系统尺寸。
作者针对目前国内已有大变倍比红外连续变焦系统多需要折转光路以压缩长度，结构形式较复杂的情况，设计了一个可应用于致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，具有恒定F数的30倍连续变焦光学系统。
第15卷 第7期2007年7月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.15 No.7 J ul.2007 收稿日期:2007201222;修订日期:2007203220. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60471024)文章编号 10042924X (2007)0721038206中波红外连续变焦光学系统郜洪云1,熊 涛2,杨长城2(1.武汉理工大学,湖北武汉430070;2.华中光电技术研究所,湖北武汉430074)摘要:针对制冷式320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个中波红外连续变焦光学系统。
该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,包括7片透镜,引入一个非球面,并采用两个反射镜折叠光路。
利用变焦系统原理和光学设计软件给出了系统的光学参数和外形结构图,并对其像质和冷反射进行了系统分析。
该系统可以实现50～500mm 的连续变焦,工作波段为3.7～4.8μm ,满足100%冷光阑效率。
结构紧凑,像质较好,变焦行程短,变焦轨迹平滑。
关 键 词:红外光学系统;连续变焦;光学设计中图分类号:TN216 文献标识码:AMiddle infrared continuous zoom optical systemGAO Hong 2yun 1,XION G Tao 2,YAN G Chang 2cheng 2(1.W uhan Uni versit y of Technolog y ,W uhan 430070,Chi na;2.H uaz hon g I nstit ute of O ptoelect ronic Technolog y ,W uhan 430074,Chi na )Abstract :For cool 320×240detector wit h staring focal plane array ,a middle inf rared continuous zoom a optical system was presented.The optical system using optical configuration of reflect mirror fold is composed of a zoo m object lens system and a secondary imaging system ,including seven lenses and two reflectors.Based on t he p ractical requirement and feat ure parameters of detector ,t he optical de 2sign parameters were given.U sing zoom system principle and optical design software ,t he schematic diagram ,modulatio n t ransfer f unction (M TF )curve ,spot diagram ,and Root Mean Square (RMS )value of t he spot diameter were investigated.Finally ,t he cold reflection ray 2t racing of short EFL end was st udied and t he correlative schematic diagram was also given.The result s indicate t hat t he optical system wit h 3.7～4.8μm spect ral region can realize 50～500mm continuous zoom and satisfy 100%cold shield efficiency.It has t he advantages of simple st ruct ure ,high image quality ,short zoom pat h and smoot h zoom locus.And moreover ,only one asp heric surface is adopted in t he system ,so t he system is in a low p rice and easy to machine and adjust.K ey w ords :infrared optical system ;continuous zoo m ;optical design1 引 言 红外成像系统以其自身的优良特点,如被动工作方式,不会被敌方电子干扰、隐蔽性好;图像直观,易于观察;精度高;低空探测性能好等,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,受到众多相关研究人员的关注[125]。
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。
目前多见的该类变焦系统为双视场变焦系统，这种系统结构简单，易于实现，但在两档切换的过程中会出现短时的目标模糊，影响探测跟踪的连续性[1,2]。
基于上述现状，本文针对红外吊舱使用，设计了了一个用于中波红外制冷探测器的、结构紧凑、质量轻便、变焦曲线短而平滑的5×连续变焦光学系统。
该系统在满足吊舱光学系统对空间、重量等因素的限制条件下，通过焦距连续变化，实现对不同视场目标成像，且在变焦过程中目标不会丢失。
可以预见其在各种军事目标跟踪系统中应用前景广阔。
1 系统设计方案1.1 原理分析连续变焦光学系统是一种机械补偿变焦系统，机械补偿根据补偿镜组的光焦度正负分为正组补偿和负组补偿两种[3]。
一般而言，若假设变倍组焦距取一样，正组补偿与负组补偿比较，正组补偿细而长，负组补偿短而粗，负组补偿二级光谱和光阑球差均比正组补偿大。
对于小视场和对光阑球差、二级光谱要求较低的情况下，可选负组补偿；对于大视场光学系统，或焦距较长的大倍率光学系统，考虑需要的镜头通光口径和二级光谱小，采用正组补偿较好。
本文系统设计参数要求最大视场±11.9°，通光孔径75mm，属视场和孔径偏大的系统，其色差和二级光谱较难校正，因此拟采用正组补偿结构形式进行系统初始结构计算。
本文系统采用的是中波红外制冷型探测器。
与非制冷探测器相比，针对制冷型设计红外变焦光学系统还有其需要特别注意的地方：制冷型探测器本身携带的冷光阑决定了所设计的光学系统的出瞳位置和大小，这是由光学设计中光瞳衔接原则[4]决定的，满足该原则即满足所谓的冷光阑效率100%。
否则，若冷694光阑效率没有得到满足，将会造成光束切割，损失能量，降低系统反应灵敏度，或者额外的热辐射杂光入射到探测器靶面上，造成干扰，降低系统信噪比。
因此，在将无限远物体成像在一次像面后，追加二次成像结构，将一次出瞳以一定倍率再次成像在探测器要求的冷光阑位置处，这样较易实现冷光阑效率要求。
同时，二次成像结构还可以减小系统径向尺寸，其原因可通过图1加以解释。
图1是由理想透镜构建而成的一次成像系统（粗虚线）和二次成像系统（细实线）的比较示意图。
从图中明显可见一次成像和二次成像口径比较结果：h1＞h2。
分析其原因：在一次成像系统中，冷光阑靠近透镜焦面，则其系统入瞳必然处于透镜后方很远的地方，由此导致了通过入瞳中心的轴外视场主光线在透镜上投影高度很高，则由轴外视场边缘光线决定的透镜口径必然很大；而在二次成像系统中，逆向追迹冷光阑经二次成像透镜所成的像，可见它距离前组透镜的距离较近，则其经前镜组成像得到的系统入瞳距离前镜组较近，所以轴外视场主光线在前镜组上的投影较低，从而得到较小的透镜口径。
图1 一次成像系统与二次成像系统径向口径比较示意图Fig.1 Comparison between first image system and secondary image system综上，考虑待设计系统的使用目的和设计要求，设计系统的初始结构定型为正组机械补偿、二次成像结构。
1.2 设计参数本文采用320×256中波红外凝视型焦平面阵列制冷探测器，像元尺寸30μm×30μm。
系统变倍比为5×，最长焦距150mm，最短焦距30mm。
选定探测器的冷光阑作为光学系统的孔径光阑，系统的F#为探测器F#＝2，在变焦过程中保持不变。
表1为光学系统的主要设计参数。
表1 光学系统设计参数Table 1 Design parameters of zoom system探测器工作波段F#变倍比变焦范围最小视场最大视场320×256；像元大小30μm×30μm3～5μm25×30～150mm±2.3°×±1.8°±11.9°×±9.6°1.3 系统设计系统设计过程分为求取高斯解与像差设计两个阶段。
求取变焦系统的高斯解是根据系统要求的焦距范围、相对孔径、像面大小和外形尺寸等参数确定系统中每个透镜的焦距、透镜间隔、变倍组与补偿组的移动范围。
它实际上解决的是变焦系统不同焦距下各组元的光焦度分配问题。
关于变焦系统高斯求解理论[5]，在许多书中均有介绍，本文不再赘述。
本文作者将变焦高斯求解过程编辑为MATLAB程序，方便用于不同结构形式、不同参数要求的变焦系统的高斯求解。
根据本系统参数要求，利用该程序计算得光焦度分配情况如表2所示。
表2 光焦度分配情况Table 2 Allotment of focal power前固定组变倍组补偿组后固定组焦距/mm 170 －50 70 200 长焦间距/mm74 3.5 50 中焦间距/mm65 35 29 短焦间距/mm25 100 2 根据以上数据，采用模块化设计方法[6]，进行系统初始结构计算，再利用光学设计软件进行像差优化设计。
像差设计过程中的难点是要同时校正不同焦距位置的球差和畸变等像差，以及由于红外材料较少导致较难校正的色差。
为了有效地校正色差、平衡像差，可适当引入衍射面和非球面，这不但能够提高系统像质，还可以减少要达到同样像质所需采用的镜片数目，从而提高系统透过率。
2 设计结果及分析2.1 系统结构设计完成的正组机械补偿中波红外5×连续变焦光学系统如图2所示。
图2中(a)、(b)、(c)分别为短焦（30mm）、中焦（90mm）和长焦（150mm）情况下的外形结构示意图。
冷光阑h1h2695(a) 短焦结构图(b) 中焦结构图(c) 长焦结构图图2 光学系统结构图Fig.2 Structure stretch of the zoom system由图2所示，系统由7片硅、锗透镜组成，镜片数目较少，质量较轻，结构紧凑，总长体积280mm，径向口径100mm，适合吊舱系统使用。
变焦过程中，前、后固定组相对位置不变，变倍组和补偿组分别移动，实现变焦和像面补偿。
设计时注意控制前固定组焦距不要太长，避免引起过大的二级光谱较难校正；变倍组采用高折射率、大色散系数的锗负透镜，利于实现消色差设计和控制系统场曲、像散等像差；补偿组采用正光焦度，实现正组像面补偿；后固定组由不同色散系数的负透镜和正透镜构成二次成像结构，并通过引入非球面和衍射面，有效地降低系统像差。
2.2 变焦曲线图3为该系统的变焦曲线图。
图中横坐标为运动组元与前固定组的距离，纵坐标为系统焦距。
当系统由短焦向长焦变化时，变倍组和补偿组互相靠近，其变焦行程分别为50mm和48mm。
由图可见，变焦轨迹短而简单，接近于线性，有利于变焦机构的简单化、小型化，这对于满足吊舱系统对体积、重量的严格要求非常重要。
图3 变焦曲线 Fig.3 Zoom path of the system2.3像质评价与分析利用调制传递函数MTF和点列图对设计系统进行像质评价。
最终得到的系统长、中、短焦MTF和点列图分别如图4、5所示。
由图4可知，系统在空间频率16lp/mm处，长、中、短焦距各个视场的MTF 均接高于0.6，尤其是短焦时，全视场MTF已接近或达到0.7以上。
由图5可知，全焦距范围内系统各视场弥散斑尺寸均较小。
这说明该系统在全焦距范围内具有较好的成像质量。
3 结论本文针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器，探索了红外连续变焦系统的设计方法，设计了带有二次成像结构的、变焦轨迹平滑的、成像质量较好的正组机械补偿5×连续变焦光学系统。
设计结果表明，该系统体积小、结构紧凑、质量轻便，变焦轨迹短而平滑，适于吊舱系统使用。
该系统在提高吊舱的搜索概率和细节分辨能力方面效果显著。
