30x中波红外连续变焦光学系统设计

第４ｌ卷第８期　Ｖｏ１．４１　ＮＯ．８　红外与激光工程　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１２年８月　Ａｕｇ．２０１２　

３０ｘ中波红外连续变焦光学系统设计　

姜凯１，２，周泗忠　，王艳彬　，段晶　，张恒金　，李刚　

（１．中国科学院西安光学精密机械研究所光电测控研究室，陕西西安７１０１１９；　

２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）　

摘　要：基于制冷型３２０￣２４０凝视焦平面阵列探测器，设计了３０ｘ中波红外大倍率连续变焦光学系　

统。详细介绍了连续变焦光学系统的选型及其初始结构的计算方法。系统采用硅和锗两种普通红外材　

料，通过引入非球面校正系统轴外像差，实现了３０～９００ｍｍ的连续变焦，Ｆ数为４，工作波段为３．７～４．８ｐ，ｍ，　

满足１００％冷光阑效率，在空间频率为１６ｌｐ／ｍｍ处，系统ＭＴＦ值大于０．５。系统具有变倍比大，结构紧　

凑，光学总长短和全焦距范围内像质好，分辨率高等优点，满足设计要求。　

关键词：光学设计；　红外系统；　连续变焦；　大变倍比；　初始结构选定　

中图分类号：ＴＨ７４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—２２７６（２０１２）０８—２１６２—０５　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　３０ｘ　ｍｉｄｄｌｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｚｏｏｍ　ｓｙｓｔｅｍ　

Ｊｉａｎｇ　Ｋａｉ　，Ｚｈｏｕ　Ｓｉｚｈｏｎｇ　，Ｗａｎｇ　Ｙａｎｂｉｎ　，Ｄｕａｎ　Ｊｉｎｇ　，Ｚｈａｎｇ　Ｈｅｎｇｊｉｎ　，Ｌｉ　Ｇａｎｇ　

（１．Ｔｈｅ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｘｉ　ａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ　ａｎ　７１０１１９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｃｏｏｌ　３２０　ｘ２４０　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｓｔａｒｉｎｇ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ，ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　３０　ｘ　ｍｉｄｄｌｅ　

ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｚｏｏｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｗｏ　ｃｏｍｍｏｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｏｆ　Ｓｉ　ａｎｄ　Ｇｅ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ．Ｔｏ　ｃｏｒｒｅｃｔ　

ｏｆｆ　ａｘｉｓ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ．ａｓｐｈｅｒｉｃ　ｗａｓ　ａｃｃｅｐｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｏｒｋｓ　ａｔ　３．７—　

４．８　ｔｘｍ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｚｏｏｍ　ｏｆ　３０－９００　ｍｍ，ｌａｒｇｅ　ｚｏｏｍ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　３０ｘ　ａｎｄ　Ｆ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　４．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓｐａｔｉａｌ　

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　１６　ｌｐ／ｎｕｎ．ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｓ　ＭＴＦ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ　０．５．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｏｆｆｅｒ　ａ　ｈｉｇｈ　

ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｉｍａｇｅｓ　ｉｎ　ｗｈｏｌｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｃａｌ　ｌｅｎｇｔｈ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｌｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｓ　１００％．　

Ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｚｏｏｍ　ｒａｔｉｏ．ｃｏｍｐａｃｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｚｏｏｍ；ｌａｒｇｅ　ｚｏｏｍ　ｒａｔｉｏ；　

ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　

收稿日期：２０１１－１２—０５；修订日期：２０１２—０１－０３　基金项目：中国科学院西部之光博士启动基金　作者简介：姜凯（１９８５一），男，博士生，主要从事红外光学系统设计方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｋａｉ２００８．￣＠１６３．ｃｏｍ　导师简介：周泗忠（１９５３一），男，研究员，博士生导师，主要从事光电跟踪方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｓｚｈ＠ｏｐｔ．ａｃ．

ｃｎ　第８期　姜凯等：３０ｘ中波红外连续变焦光学系统设计　２１６３　

Ｏ引言　

红外变焦光学系统是功能很明显的被动探测光　

学系统，能够探测、定位并连续跟踪在红外背景辐射　

和其他干扰下发射红外线的物体和目标。一般红外　

变焦镜头分为连续变焦和分档变焦两种。连续变焦　

的红外镜头既能在大视场时搜索目标，又能在发现　

目标后调整到小视场瞄准跟踪。在视场转换过程中　

能够保持图像的连续性，对搜索和跟踪高速运动的　目标是非常有利的，很好地解决了分档变焦镜头视场　

切换时丢失高速目标这一缺陷［１－２］。并且，随着技术　

的发展，对镜头焦距范围的要求越来越高，大变倍比　

连续变焦镜头是红外变焦镜头发展的必然趋势。因　

此，设计大变倍比红外连续变焦镜头具有一定的实　

际意义　。　

基于３２０ｘ２４０制冷型中波红外探测器，设计了　

一套高变倍比中波红外连续变焦镜头。该系统可实　

现３０～９００ｉｌｌｉｎ的连续变焦，变倍比为３０ｘ，Ｆ数为４，　

工作波段为３．７－４．８Ｉｘｍ，满足１００％冷光阑效率，在　

空间频率为１６ｌｐ／ｍｍ下，系统的ＭＴＦ值大于０．５，　

该系统具有结构紧凑，易于装调，像质好，分辨率高　

等特点。　

１设计指标及初始结构计算　

１．１光学设计指标　

文中采用的探测器为３２０ｘ２４０制冷红外探测　

器，探测器像元尺寸为３０　ｔｘｍｘ３０　ｍ。根据实际需　

要，红外连续变焦光学系统的具体参数如表１所示。　

表１光学系统参数　

Ｔａｂ．１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　

Ｉｔｅｍ　Ｖａｌｕｅ　

Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｒａｎｇｅ／ｌ￣ｍ　

Ｆｏｃａｌ　ｒａｎｇｅ／ｍｍ　

Ｆ－ｎｕｍｂｅｒ　

Ｉｍａｇｅ　ｈｅｉｇｈｔ（ｄｉａｇｏｎａ１）／ｍｍ　

Ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｖｉｅｗ／（。）　

１．２光学系统初始结构计算　

该系统采用机械补偿法，具有结构紧凑、像质稳　

定性高等优点　。系统各组分别采用“＋，一，＋，＋”的形　式，即负组变倍，正组补偿的结构形式。　

图１为机械补偿法正组补偿系统，其中　、　、　

、　分别为前固定组、变倍组、补偿组、后固定组，　

它们的焦距分别为　，短焦和长焦时各组　

分间距分别为ｄ１　、　和　扒　、　。在短焦端　

时，变倍组紧靠前固定组，补偿组紧靠后固定组。在　

向长焦方向变焦过程中，变倍组与补偿组向中间靠　

拢。设计时要保证　、　足够大，使各组间有足　

够间隔，从而避免碰撞。　

、　

图１机械补偿法正组补偿系统结构不恿图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

ｓｙｓｔｅｍ　

令长焦端为起算位置，变倍组倍率取ｍ　＝一１，同时取　

归一化值五　＝－１，如＝Ｏ．７，由　

ｍ３／　‘　）　

Ｉｍ３ｆＩ＜１　（２）　可得　＜１．３５，取　＝１．３。其中ｍ　是补偿组在长焦端　

的倍率。此时，变倍组的物距　、像距　和补偿组的　

物距　、像距　分别为：　

（　）一　㈣　

ｌ　（１－ｍ　）＝一２　

ｆ　＝　—ｄ￣＝－２．７　

５　

计算得到ｍ　＝　／ｂ＝一０．９３。　

此时，由变焦公式（５）和变倍比计算公式（６）联　

立，可解出短焦端变倍组倍率慨和补偿组倍率ｍ　，　

其中ＪＢ为变倍比。　

）　）　（　ｍ　）（５）

　２１６４　红外与激光工程　第４ｌ卷　

＝　＝３Ｏ　（６）　

根据倍率的变化要求，可求出短焦端变倍组和　

补偿组的物距、像距。　

（　－１）　

【　＝ｍｚ　

（　－Ｉ）　㈣　

【　＝ｍＪ　

另外取　＝０．７，　＝０．３，可求出焦距的归一化值。　

＝ｄｌ　＋　（９）　

五　＝　一　（１０）　

由公式（５）～（１０）可一次求出短焦、中短焦、中焦、　

中长焦、长焦各个位置处的各组分间隔，其中　代表　

焦距位置。　

如　一如　（１１）　

如．＝　一／３．　（１２）　

＝１３，　一ｋ　＋以　（１３）　

取　＝－１００ｍｉｉ１，将归一化值缩放为实际值，即可得　

到各组分焦距和各个位置时各组分的间隔哺　。　

２光学系统设计结果及像质评价　

２．１光学系统设计结果　

利用Ｃｏｄｅ　Ｖ光学设计软件，设置合理的优化参　

数，对计算得到的初始结构进行优化设计，设计结构　

如图２所示。设计结构共使用９片镜片，第１片为前　

固定组，第２片为变倍组，第３、４片为补偿组，第５～　

９片为后固定组，探测器冷阑为系统视场光阑。在焦　

距分配过程中，减小补偿组焦距，加快其补偿速度，　

从而达到减小筒长的目的悯。第３、ｌ１、１３面为非球面，　

校正系统轴外像差，降低长焦位置时补偿组和后固　

定组的二级光谱的负担，系统总长为７５０ｍｍ。系统视　

场光阑与探测器冷光阑重合，冷光阑效率达到　

１００％，最大畸变小于４％。　

图３为该系统的凸轮曲线，其中横坐标代表变　

倍组和补偿组与前固定组的距离，纵坐标代表采样　

点。可见该凸轮曲线平滑无拐点，易于机械加工。　（ａ）ｆ＝９００ｍｍ　

（ｂ）ｆ＝６ｏｏｍｍ　

（ｃ）ｆ＝３００ｍｍ　

（ｄ）ｆ＝：ｏｏｍｍ　

（ｅ）　３０ｍｍ　图２变焦系统结构图　Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｚｏｏｍ　ｏｐｆｉｃ￣ｓｙｓｔｅｍ　

Ｚｏｏｍ　ｌｏｃｉ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　

－ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｒａｍ　图３变焦系统的凸轮曲线　Ｆｉｇ．３　Ｃａｍ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｚｏｏｍ　ｌｅｎｓ　

２．２像质评价　

该系统的传递函数曲线如图４所示，在１６ｌｐ／ｍｍ　

空间频率下，系统各焦距ＭＴＦ都大于０．５，接近或达　

到衍射极限，说明其在全焦距范围内有较高的像质。　

该系统点列图如图５所示，在所有焦距位置，全视　

场内弥散斑的均方值ＲＭＳ都小于３０／ｘｍ，满足系统　

的使用要求。