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分孔径三视场中波红外光学系统
何红星
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2017(025)007
【摘要】为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统.该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58 mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270 mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统.设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求.【总页数】7页(P1757-1763)
【作者】何红星
【作者单位】昆明物理研究所,昆明650223
【正文语种】中文
【中图分类】TN216
【相关文献】
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变光阑长波红外连续变焦光学系统设计
唐晗;周春芬;冯建伟;张巍;普龙;曹凌;马文怡谷;王宏波;毕宇波;蒋旭科;张麟;李虹明
【期刊名称】《红外技术》
【年(卷),期】2024(46)5
【摘要】非制冷长波连续变焦光学系统由于相对孔径大导致小型化和无热化设计困难,本文采用可变光阑约束物镜尺寸压缩系统总长,实现长波640×512非制冷连续变焦光学系统轻小型化设计。
通过材料合理配置及主动补偿实现5片透镜的8.5×连续变焦光学系统消热设计。
该系统F#恒定1.2、工作波段为8~12μm、视场变焦范围为30°×24°~3.5°×2.8°、系统总长187.5 mm,该连续变焦光学系统重量轻、总长短、透过率高、在-40℃~+60℃温度范围全视场成像质量良好。
【总页数】10页(P491-500)
【作者】唐晗;周春芬;冯建伟;张巍;普龙;曹凌;马文怡谷;王宏波;毕宇波;蒋旭科;张麟;李虹明
【作者单位】昆明物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN216
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PW 法对连续变焦光学系统初始结构的求解崔恩坤;张葆;洪永丰【摘要】T he solving for the initial structure of continuous zoom optical system by using PW method was introduced .The structure was obtained by distributing the power and length be-tween them for each element on the base of the exchange principle of object and image .The PW values were changing for choosing best glass ,controlling aberration ,calculating the shape of glass .Finally an mid-wave infrared zoom system (50 mm~200 mm) was designed according to this method ,the system had 5 lenses with 2 aspherics ,satisfied 100% cold shield efficiency with simplestructure .Moreover ,the initial structure was optimized with Zemax .Result shows that the continuous optical system has high image quality and high energy transmission ,w hich can meet the requirements of practical applications .In conclusion ,the PW solution has practi-cal meaning for the initial structure of zoom optical system design .%介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。
大相对孔径长波连续变焦红外光学系统设计何伍斌;郝俊明;吴玮;彭晴晴;骆守俊【摘要】提出一种大相对孔径长波连续变焦红外光学系统的设计方法,利用变焦原理和光学设计软件得到系统结构及其参数.该光学系统在变焦过程中相对孔径可变,F数最小可达0.85.系统主要光学参数F/#为0.85 ～1,变倍比为4.5∶1,工作波长为8～12 μm,采用384×288元非制冷焦平面探测器.具有分辨率高、像质好、能量利用率高、变焦轨迹平滑等特点,满足工程设计要求.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)007【总页数】4页(P757-760)【关键词】大相对孔径;红外系统;连续变焦;光学设计【作者】何伍斌;郝俊明;吴玮;彭晴晴;骆守俊【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;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN2191 引言红外成像系统以其自身的优势，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、边防海防等军事领域中得到了广泛应用［1－3］。
近年来，随着红外光学技术特别是焦平面工艺的不断进步，非制冷探测器有了长足的发展，因其具有便于携带、功耗造价低、可靠性好等优点，愈来愈广泛地应用在红外成像系统中［4］。
不同于单视场或多视场光学系统，红外连续变焦光学系统由于其在改变视场的同时，像面稳定清晰，不会发生目标丢失的问题，既可以大视场搜索目标，又可以小视场跟踪目标，其需求日益增强［5－6］。
为了接收到尽可能多的红外辐射能量，必须增大光学系统的相对孔径，即F数要尽可能的小。
相对孔径增大1倍，接收到的能量就能增大4倍。
辐射能量大幅度的提高，从而大大提高了系统的温度灵敏度，可以看到更多的景物细节，画面在感官上也更加舒适。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第15卷 第7期2007年7月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
Vol.15 No.7
Jul.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:A
MiddleinfraredcontinuouszoomopticalsystemGAOHong2yun1,XIONGTao2,YANGChang2cheng2(1.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070
,China;
2.HuazhongInstituteofOptoelectronicTechnology,Wuhan430074,China)
Abstract:Forcool320×240detectorwithstaringfocalplanearray,amiddleinfraredcontinuouszoomaopticalsystemwaspresented.Theopticalsystemusingopticalconfigurationofreflectmirrorfoldiscomposedofazoomobjectlenssystemandasecondaryimagingsystem,includingsevenlensesandtworeflectors.Basedonthepracticalrequirementandfeatureparametersofdetector,theopticalde2signparametersweregiven.Usingzoomsystemprincipleandopticaldesignsoftware,theschematicdiagram,modulationtransferfunction(MTF)curve,spotdiagram,andRootMeanSquare(RMS)valueofthespotdiameterwereinvestigated.Finally,thecoldreflectionray2tracingofshortEFLendwasstudiedandthecorrelativeschematicdiagramwasalsogiven.Theresultsindicatethattheopticalsystemwith3.7～4.8μmspectralregioncanrealize50～500mmcontinuouszoomandsatisfy100%coldshieldefficiency.Ithastheadvantagesofsimplestructure,highimagequality,shortzoompathandsmoothzoomlocus.Andmoreover,onlyoneasphericsurfaceisadoptedinthesystem,sothesystemisinalowpriceandeasytomachineandadjust.Keywords:infraredopticalsystem;continuouszoom;opticaldesign© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1 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]。近年来,随着红外光学技术的长足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,
得到定焦镜头和多档变焦镜头无法达到的视觉效果,可以达到大视场搜索目标,小视场仔细观察目标的目的。而目前关于此类中波系统的相关报道很少,且都存在一定的缺点。加拿大Wescam公司的Sinclair设计的焦距范围为20～400mm的中波变焦镜头,虽然其成像质量接近于衍射极限,
但是使用了11片透镜,并且采用了两个衍射元件,因此结构复杂,系统透过率低[6]。韩国Hyun
SookKim等人设计的焦距范围13.75～75mm的中波变焦镜头,采用了三个非球面才达到较好的成像质量,因此提高了加工成本和装调精度的要求[7]。本文针对中波红外制冷式320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个10×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,采用反射镜折叠光路,共包括7片透镜和两个反射镜。系统仅引入一个非球面就达到了较好的成像质量,同时在一定程度上降低了成本。此外,
它还具有结构紧凑,焦距范围(50～500mm)大、变焦曲线平滑等优点。
2 设计参数 本文采用的探测器为中波320×240元制冷探测器,探测器像元尺寸为30μm×30μm。根据实际应用的需要,连续变焦红外光学系统的主要设计参数如表1所示。
表1 光学设计参数Tab.1 Opticaldesignparameters工作波段3.7～4.8μm
变焦倍率10×焦距范围50～500mm
F数4
透过率>70%
像高(对角线)12mm
系统的设计过程分为外形尺寸计算与像差设计两个阶段。外形尺寸计算的任务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确定系统中每个透镜的焦距和变焦透镜组的移动范围。像差设计过程中的难点是要校正好变焦系统各焦距位置的像差。为了校正像差、提高像质,采取的措施除了利用光学软件进行像差平衡之外,
还有以下两种:(1)合理搭配使用红外光学材料,
将色差消到最小;(2)使用非球面提高像质。
3 结果和分析3.1 设计结果本系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,采用反射镜折叠光路,共用了7片透镜和两个反射镜,如图1所示,(a)、(b)、(c)分别为短焦(50mm)、中焦(300mm)和长焦(500mm)三种
情况下的外形结构示意图。变焦物镜系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成,它们对系统光焦度的贡献分别为正、负、正、负。二次成像组件能够压缩前组透镜口径,保证系统满足100%冷光阑效率。通过两个反射镜的折叠缩短了横向尺寸,得到了较紧凑的结构形式,系统整个外形尺寸为300mm×220mm×140mm(长×宽×高),满足实际使用的安装空间要求。在光学系统中引入非球面可以有效提高像质并减少透镜数量[829],因此,本系统采用了非球面设计,同时为了
降低加工成本和装配精度要求,仅在二次成像系统的第一个透镜上设置一个非球面。图2为系统的变焦轨迹,图中纵坐标为运动组元距离前固定组的距离,横坐标为系统焦距,1
和2两条曲线分别是变倍组和补偿组的变焦运动
9301第7期 郜洪云,等:中波红外连续变焦光学系统© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
曲线。由此可以看出,变倍组和补偿组的变焦行程都比较短,分别为40mm和85mm,而且变倍组和补偿组的变焦轨迹简单,曲线平滑,并接近线性,有利于机电方式的实现。
图2 变焦运动轨迹Fig.2 Zoomlocicharacteristicsofthesystem
3.2 像质评价3.2.1 传递函数该系统的传递函数曲线如图3所示,具体传递函数值(16lp/mm)见表2,其中图3(a)、(b)、(c)分别为短焦、中焦和长焦三种情况。由此可
见,系统在全焦距范围内都取得了较好的成像质量,0视场的MTF值都较高,接近衍射极限。
表2 传递函数值(16lp/mm)
Tab.2 ValuesofMTF(16lp/mm)
焦距视场MTF
0(tan)0.610短焦0.7(tan)0.526
1(tan)0.4320(tan)0.643中焦0.7(tan)0.584
1(tan)0.5110(tan)0.638长焦0.7(tan)0.531
1(tan)0.413
0401 光学 精密工程 第15卷
