中波红外变焦距系统的光学设计[1]

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中波红外连续变焦系统设计

中波红外连续变焦系统设计
杨为锦，强孙
（．科学院长春光学精密１中国机械与物理研究吉林长春１０３所，３３；０２中国．科学院研究生院，１０４）北京００９
摘要：基于制冷型３０Ｘ４２２０凝视焦平面阵列探测器，设计了一套高变倍比中波红外连续变焦光学系统，于机载光电探用测和跟踪设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成。介绍了二次成像系统光瞳衔接的方法；通过光学软件给出了系统结构及其参数，对系统的像质和那喀索斯效应进行了分析。测试结果表明，并系统实现了１２０ｍ／１～０／／的连续变焦，变倍比为１Ｆ数为３工作波段为３—５ｍ，８×，，满足１００％冷光阑效率，空间频率１／ｍ在６ｌｍｐ
处的ＭＴＦ值＞．；０６具有热灵敏度高、像质好、分辨率高等特点，满足了设计的要求。
关键词：续变焦；外系统；瞳衔接；学系统连红光光文献标识码：Ａ中图分类号：Ｎ１Ｔ２６
Ｄｅｉｎｏｉｄｅｉｆａｅｏｔｎｏｓｚｏｙｔｍｓｇｆｍｄｌｎｒｒｄｃｎｉｕｕｏｍｓｓｅ
Ａｂｓｒｃｔａｔ：Ｏｎｔａｉｆａｃｏ２４ｅｅｔｒｗｉｈｓａｉｇｆｃｌｐａｅａｒｙ，ａｓｔｏｄｌｎｒｒｄｈｅｂｓｓｏｏｌ３０Ｘ２０ｄｔｃｏｔｔｒｎｏａｌｎｒａｅｆｍｉｄｅｉｆａｅｃｎｉｕｕｏｍｙｔｍｓｄｓｇｅｏｉｂｒｅｏｔｅｅｔｏｉｅｅｔｏｎｄｔａｋｎｐａａｕ．Ｔｅｓｓｅｉｏｔｎｏｓｚｏｓｓｅｉｅｉｎｄｆｒａｒｏｎｐｏｌｃｒｎｃｄｔｃｉｎａｒｃｉｇａｐｒｔｓｈｙｔｍｓ

折衍射混合中波红外连续变焦光学系统设计

（ＷｕｈａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌａｎｄＴｅｃｈｎｉｃｌａＣｏｌｌｅｒｅ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｂｉｇｚｏｏｍｒａｔｉｏｈｙｂｉｄｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕａｌｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｚｏｏｍｌｅｎｓｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｉｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｉｓｒｏｆｍ５０ｔｏ５００ｍｍｗｉｔｈ
随着红外技术的发展，对红外热像仪提出了越来越高的使用要求，需要红外热像仪同时满足对目标进行跟踪、探测和识别三项功能，需要热像仪具有不同的视场。且变倍比越大越好。连续变焦光学系统能够保证红外热像仪的视场变化过程中保持图像的连续性，对搜索和跟踪运动目标是非常有利的，因此相对于定焦或两档变焦光学系统。大变倍比的连续变焦光学系统在军事上具有更多的需求。目前红外连续变焦光学系统一般采用机械补偿式或光学补偿式连续变焦方式＿ｌ川，其中机械补偿方式是一组透镜变倍。一组透镜补偿，其变焦曲线是非线性的。可以设计成较大的变倍比，国内外有部分学者做了研究卜Ｊ。衍射元件具有和折射元件互补的温度特性和色

中波红外连续变焦光学系统设计

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。

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

焦，变焦轨迹平滑，满足１００％冷光阑效率。该系统采用硅、锗和硒化锌三种红外材料，通过引入非球面和衍射面来校正系统的轴外像差和高级像差。系统在３０ｌｐ／ｍｍ处，全焦距范围内调制传递函数（ＭＴＦ）
ｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌａｒｇｅｚｏｏｍｒａｎｇｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｍａｇｅｄｔｈｒｉｃｅ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｉｔｎｇ
ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａｎｇｅｗａｓ３．７－４．８ｍ，Ｆｎｕｍｂｅｒｗａｓ４ａｎｄｔｈｅｚｏｏｍｒａｔｉｏｗａｓ３０：１．Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｒｅａｌｉｚｅ２３－７０１ｉｎｌ／ｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍａｎｄｍｅｅｔ１００％ｃｏｌｄｓｈｉｅｌｄｅｉｃｆｉｅｎｃｙｗｉｈｓｔｍｏｏｔｈｚｏｏｍｌｏｃｕｓ．ＴｈｒｅｅｉｎｆｒｒｅａｄｍａｔｅｉａｒｌｓｏｆＳｉ，ＧｅａｎｄＺｎＳｅｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｃｌｓａｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅｏｆｆａｘｉｓａｂｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｅｒｏｒｄｅｒａｂｅｒａｔｉｏｎｂｙｌｅａｄｉｎｇｔｈｅａｓｐｈｅｉｃｒｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅ．ＴｈｅＭＴＦｗａｓａｂｏｖｅ０．１５ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｆｏｃａｌｒａｎｇｅａｔｈｅｔｓｐａｔｉａｌｒｅｆｑｕｅｎｃｙｏｆ３０ｌｐ／ｍｍａｎｄｉｔａｐｐｒｏａｃｈｅｄｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｈｅｔＭＷＩＲｃｏｎｉｎｔｕｏｕｓｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ

大靶面制冷中波红外变焦光学系统设计

大靶面制冷中波红外变焦光学系统设计刘钧;李西杰;徐瑞超【摘要】为了提高人眼观察图像的舒适度,基于大面阵640×512 pixel、25μm制冷焦平面阵列的中波红外探测器,设计了一款中波红外连续变焦系统.系统工作波段为3～5 μm,F数为4,焦距变化范围50～601 mm.利用光线反向追迹的方法分析了系统的冷反射效应,采用蒙特卡洛分析法对系统公差进行综合分析评价.结果表明:系统在奈奎斯特频率处全视场传递函数大于0.4,在25 μm内能量集中在80％以上,同时系统具有较好的冷反射抑制效果;系统具有分辨率高、像质好及变焦轨迹平滑等特点.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2018(038)002【总页数】7页(P114-120)【关键词】光学系统;奈奎斯特频率;红外变焦;冷反射【作者】刘钧;李西杰;徐瑞超【作者单位】西安工业大学光电工程学院,西安710021;西安工业大学光电工程学院,西安710021;西安工业大学光电工程学院,西安710021【正文语种】中文【中图分类】TN216随着现代军事态势的不断恶化和红外加工设计技术的不断发展，对于红外变焦系统的需求日益增加，要求也不断提高，因此红外系统结构的设计与研究显得尤为重要.文献[1]根据变焦被动式消热差的方法，设计了一款焦距为30～150 mm，系统采用320×240 pixel焦平面阵列探测器，相对孔径为1的大相对孔径被动式消热差长波红外光学系统，详细推导了被动式消热差理论，并且验证理论满足设计实际需求.文献[2]设计了一款宽光谱、无遮拦及高分辨率离轴反射光学系统，该系统克服了传统透射式及反射式系统的缺点，并且实现了单色局部高分辨率的优势.文献[3-6]设计一款红外连续变焦可以有效避免系统在焦距的变化过程中，由于改变焦距延时而导致丢失快速移动的目标，保证图像信息输出的连续性和可持续性，并且具有对目标特性进行全天候监控侦查的优势.针对常用的制冷320×240 pixel焦平面阵列探测器像元数少，分辨率低等缺陷，文中采用目前最流行的640×512 pixel制冷型探测器进行系统设计，大面阵640×512 pixel探测器与320×240 pixel面阵探测器相比，像元数有了大幅度的增加，提高了系统对景物的分辨本领，而且可以看到更多的景物细节.1 光学系统设计1.1 设计要求本次设计所选取的探测器不仅在单个像元数量上有了大幅度增加，而且在对物体细节分辨能力上也有了大幅度提高.具体的设计指标见表1.表 1 光学设计指标Tab.1 Optical design specifications参数指标工作波长/μm3.2～4.8变倍比12F数4变焦范围/mm50～601冷光栏/%100制冷型探测器像素为640×512 pixel像元尺寸为25 μm×25 μm1.2 变焦初始结构设计光学系统的一次成像透镜组、二次成像透镜组、中继组、冷光栏和像差补偿组系统组合[7]如图1所示.其中一次成像透镜组包括变倍透镜组、焦距补偿透镜组和前固定透镜组.为了对系统的高级球差和轴向色差进一步控制，设计过程中将其光焦度分别分配为正、负、正和负，以补偿系统大量的轴外像差.二次成像组和像差补偿组用一个正光焦度透镜组.图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram为了保证像面位置稳定，两个像面移动的代数和为零，必须满足以下条件：(1)(2)(3)式中:为变倍组的焦距；为补偿组的焦距；q1和q2为变倍组与补偿组的相对移动的量；M2和M3分别为焦距变倍组和焦距补偿组倍率.由式(1)～(3)可得变倍组和补偿组满足此变焦过程微分方程，表达式为(4)2 结果与分析2.1 设计结果结合变焦理论以像差变倍组的光焦度为规范值，即取光焦度Φ2=1 mm-1，根据变焦理论公式，最终得到前固定组光焦度Φ1=0.155 mm-1，像差补偿组光焦度Φ3=0.72 mm-1，像差中继组光焦度Φ4=1.266 mm-1，系统结构数据见表2. 表2 系统最终公共部分参量Tab.2 Last public detailed parameters of the system光学面面型类型半径/mm厚度/mm玻璃OBJ面标准∞∞1标准433.45418.560硅2偶次非球面916.168217.1893标准776.4388.923锗4标准1 721.0213.9005偶次非球面219.05921.123锗6标准380.76516.0797标准194.18020.795硅8标准2 333.7920.299系统总长为412×25 mm，在表3中详细给出了系统焦距在50～601 mm范围内时各组元之间的空气间隔.其中，像差补偿组和中继组之间的间隔为d34，焦距变倍组和像差补偿组之间的间隔为d23，前固定组和焦距变倍组之间的间隔为d12.图2为该系统在焦距f=50 mm、f=168.501 mm、f=312.93 mm和f=601 mm 处的结构图.表3 不同焦距时各组元的间隔Tab.3 Construction parameters of optical system间隔配置1配置2配置3配置4d34/mm47.22570.50287.790112.453d23/mm183.15493.65955.93316.079d12/mm115.313181.561201.999217.189图2 中波红外在不同焦距处的结构图Fig.2 Structure of medium wave infrared light at different focal length为了简化光学系统结构和优化平衡系统的残余像差，对系统引入了两个偶次非球面.两个偶次非球面Surface 2和Surface 5的系数如下：k=0,α1=-1.63×10-6,α2=3.76×10-11,α3=2.56×1012,α4=-2.34×10-16; k=0,α1=7.03×109,α2=-8.48×10-11,α3=7.94×1012,α4=-6.53×10-12; 其中α1，α2，α3，α4为非球面系数，k为圆锥系数.2.2 变焦凸轮结构曲线分析在设计软件中利用差值法均匀地取出系统更多的焦距采样点，利用Origin软件拟合出系统的焦距变倍组和像差补偿组的相对位置关系如图3所示.由图3可以看出，凸轮结构曲线过渡平滑，有效地减小了变焦变化过程中的不连续性.2.3 像质评价调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)和点列图是光学系统唯一的像质评价方式，评价方式如图4所示.图3 焦距变倍组与像差补偿组的变化关系曲线Fig.3 Curves of variator versus compensator系统传递函数在频率为20 lp·mm-1时，系统的传递函数值在0.4以上满足设计要求.弥散斑的均方值最大为20 μm，在一个像元尺寸(像元尺寸为25 μm)内，满足红外系统对分辨率的成像要求.图4 系统在各焦距处的传递函数图、点列图Fig.4 Spot diagram and MTF diagram of medium wave infrared light at each focal length3 冷反射分析在制冷型红外光学系统中，必须考虑冷反射现象(Narcissus).冷反射是从制冷出瞳发出的冷光线，被系统光学表面反射或者散射后又返到制冷性探测器的光线，最终产生的冷反射现象[8].冷反射不仅会影响系统的成像质量和性能识别，还会对探测器造成一定的伤害[9-11].因此，为了提高光学系统的工作效率，对制冷性红外光学系统进行冷反射的抑制显得尤为重要.表4为系统不同组态在每个面的冷反射值. 表4 冷反射分析结果Tab.4 Result of narcissus analysis光学面配置1 YNI I/IBAR 配置2 YNI I/IBAR 配置3 YNI I/IBARR 配置4 YNII/IBAR10.2900.3781.021-3.9733.5112.79212.8901.5242-0.275-0.834-0.846-0.322-2.913-2.133-10.6952.3133-0.353-0.133-0.458-0.325-1.385-2.188-4.5272.2914-0.294-0.352-1.325-0.467-1.886-5.350-5.8871.9635-1.232-0.710-1.170-0.830-2.50120.024-7.4131.72860.2330.9801.3560.7651.8710.7504.2930.92571.5400.4702.8530. 6504.1200.7926.2970.9718-1.1560.470-1.4475.332-1.6765.758-1.9925.73391.1200.3600.8960.4650.9360.4201.7730.63310-1.4172.370-1.8992.324-2.3092.450-2.9282.51011-0.887-7.450-1.030-6.559-1.123-5.178-1.208-4.191120.6701.1021.1150.9851.1810.4702.1610.678160.1361.1200.3560.667 0.1330.6760.1320.67917-0.034-0.021-0.004-0.024-0.036-0.023-0.035-0.02318-0.190-0.090-0.209-0.098-0.201-0.098-0.200-0.09919-0.070-0.048-0.078-0.050-0.079-0.050-0.078-0.05020-0.942-0.482-1.135-0.485-0.918-0.482-1.120-0.48021-0.670-0.350-0.410-0.262-0.409-0.261-0.410-0.263221.5583.7361.5423.4981.5453.6781.5473.670231.763-0.776-1.754-0.781-1.756-0.775-1.757-0.78124-0.690-0.505-0.687-0.507-0.688-0.505-0.688-0.505从表4可以看出，系统在1，2，3和4面短焦组态YNI和I/IBAR绝对值都小于1，因此，重点对这些面在全视场的冷反射进行反向光线追击，其反向光线追迹图如图5所示.图5 全视场反向光线追迹图Fig.5 Full field reverse ray tracing从图5可以看出，系统在短焦第2,3和4面在0视场光线均发散，不会到达制冷红外焦平面上；第1面在0视场光线经反射可以聚焦到焦平面上，但是冷反射光线均匀散开.对于变焦制冷红外光学系统，要同时考虑同一光学表面在不同组态下的冷反射分析，由表4可以看出，第17，18和19面在所有组态YNI和I/IBAR绝对值都小于1，因此对这些面在全视场进行冷反射分析，17面在不同组态的反向光线追迹图如图6(a)～6(d)所示，18面在不同组态的反向光线追迹图如图6(e)～6(h)所示，19面在不同组态的反向光线追迹图如图6(i)～6(l)所示.图6 不同组反向光线追迹图Fig.6 Reverse ray tracing of different groups由以上反向光线追迹图可知，虽然红外光学系统在17，18和19面的YNI和I/IBAR的绝对值都小于1，但这些面在全视场产生的冷反射光线比较发散，冷像噪声强度对系统的影响非常微弱.系统其他各面YNI和I/IBAR绝对值大于1，产生的冷像对系统的影响为零.4 公差分析加工装调公差不仅会影响光学系统的成像质量，且还会影响产品的适用性.文中设计使用传递函数值变化来评价公差敏感度.一般情况下，加工装调公差的评价方式在最敏感情况下MTF下降量不能超过0.15，对给定的公差容限分别在不同组态下进行多次蒙特卡洛分析，公差容限见表5.表5 不同组态公差列表Tab.5 List of tolerance of different groups曲率半径公差/mm厚度空气间隔公差/mm元件偏心/mm元件倾斜/(°)-0.02～0.02-0.02～0.02-0.02～0.02-0.03～0.03经过20次蒙特卡洛分析，大多数敏感的公差为元件表面倾斜公差，最差的使得MTF下降值约为0.003，满足设计要求.不同组态下公差分析的MTF图如图7所示.图7 系统公差分析传递函数图Fig.7 Transfer function diagram of system tolerance analysis5 结论1) 为了提高红外系统对景物分辨本领和对景物场景细节的描述，文中设计了一款640×512 pixel大靶面制冷连续变焦光学系统，系统切换视场可以连续快速进行，可以防止在采集图像信息的过程中，丢失快速移动的目标信息，保证图像视频信息传输的实时连续性，同时实现焦距在50～601 mm范围内无延时连续切换，具有对所有目标辐射特性信息进行全天候侦查的优势.2) 为了减小系统的径向尺寸，系统由一次成像结构和二次成像结构构成，满足100%冷光阑效应.使用锗和硅两种材料，结合非球面，保证了系统在奈奎斯特频率20 lp·mm-1处传递函数值高于0.4，满足成像设计要求.3) 利用ZEMAX软件对红外光学系统每一个面在不同组态运用反向光线追迹，并对红外系统的冷反射进行了仿真分析，冷像对像面的影响满足成像要求.系统具有非常高的热灵敏度、图像对比度一致性均匀以及变焦凸轮曲线过渡平滑等优势，因此，该系统在野外侦查识别、空中预警等领域有着非常广泛的应用.参考文献:【相关文献】[1] 费继扬,李林.红外大变倍比连续变焦距系统光学被动式无热化设计[J].光学技术,2017,43(1):1. FEI Jiyang,LI Lin.Design of the Continuously Zooming Infrared Optical Passive Athermalized System[J].Optical Technique,2017,43(1):1.(in Chinese)[2] 常军,沈本兰，王希，等.宽谱段、动态局部高分辨离轴主动反射变焦系统[J].光学精密工程,2016,24(1):7.CHANG Jun,SHEN Benlan，WANG Xi，et al.Off-axis Reflective Active Zoom System with Broad Spectrum and Dynamic Local High-resolution[J].Optics and Precision Engineering,2016,24(1):7.(in Chinese)[3] 李岩,张葆,洪永丰.大变倍比中波红外变焦光学系统设计[J].光学学报,2013,33(4):0422005-1.LI Yan,ZHANG Bao,HONG Yongfeng.Design of Large Zoom Ratio Middle Wavelength Infrared Zoom Optical System[J].Acta Optica Sinica,2013,33(4):0422005-1.(in Chinese) [4] 李西杰,刘钧,陈阳.双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计[J].光子学报,2016,45(10):46.LI Xijie,LIU Jun,CHEN Yang.Design of Dual-band,High Zoom Ratio and Continuous Co-focal Optical System[J].Acta Photonica Sinica,2016,45(10):46.(in Chinese)[5] VIZGAITIS J N,HASTINGS A R.Dual Band Infrared Picture-in-picture Systems[J].Optical Engineering,2013,52(6):061306.[6] FANG Y C,LIN H C.Optical Design and Optimization of Zoom Optics with Diffractive Optical Element[C]//4th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies:Advanced Optical Manufacturing Technologies.Chengdu:SPIE Proceedings,2009:72820F.[7] 江伦,黄玮.高变倍比变焦距系统设计[J].光学学报,2011,31(12):1222006.JIANG Lun,HUANG Wei.Lens Design for Optical System of High Zoom Ratio[J].Acta Optical Sinica,2011,31(12):1222006.(in Chinese)[8] HOWARD J W,ABEL I R.Narcissus:Reflections on Retroreflections in Thermal Imaging Systems[J].Applied Optics,1982,21(18):3393.[9] ARASA J,PIZARRO C,TOMAS N,et al.Contribution of Ghost and Narcissus Effects in MTFCalculation[J].SPIE Proceedings,1999,3737:118.[10] 吴振森,窦玉红.空间目标的可见散射与红外辐射[J].光学学报,2003,23(10):1250.WU Zhensen,DOU Yuhong.Visible Light Scattering and Infrared Radiation of Spatial Object[J].Acta Optica,2003,23(10):1250.(in Chinese)[11] 张良.凝视型红外光学系统中的冷反射现象[J].红外与激光工程,2006,35(S1):8. ZHANG Liang.Narcissus Effect in Staring Infrared Optical System[J].Infrared and Laser Engineering,2006,35(S1):8.(in Chinese)。

光学补偿中波红外变焦光学系统设计

摘要：针对３０４凝视焦平面阵列探测器，２ ×２０设计了一个变倍比为１２的中波光学补偿连续变焦光学系统。该系统由７片透镜和两个反射镜构成，可实现２．ｍ／ｍｍ１０ｒ３０ｎ６ｍ８７０／６ｍｎ２ｌ／ｒｎ四档变焦，工作波段为３～．ｇ．４ｍ，满足１０７８０％冷光阑效率。设计结果表明，该系统具有结构简单、透过率高、体积
位移，从而需要通过一定的方法对像面的移动进行补
足红外系统的性能、外形尺寸、成本和重量等重要指
标要求，具有结构简单、变倍比大、透过率高、体积
偿。按像面补偿方式的不同，通常分为光学补偿和机械补偿两种。早期，由于机械加工精度的限制，多采用光学补偿法，由于成像质量较差，应用不够普遍。２０世纪６０年代后，随着机械加工精度和工艺的改进，
焦系统，焦距变化范围５￣２５ｑｌ倍比５３６ｎｌ，变Ｔ，Ｆ数
为２，采用了１０片透镜。阅文献中设计的光学补偿检变焦系统皆存在变倍比小（ ≤５倍）透镜数量较多（， ≥ １）０片，系统透过率低的共同缺点。本文将对光学补偿变焦光学系统进行探索，针对３０４２ ×２０中波凝视型焦平面探测器，用７片透镜设仅
第３卷第ｌ期２１
２１００年１月１ＩｆｒｅｈｏｏｙｎｒｅＴｃｎｌｇａｄ
Ｖ１２Ｎ０１ｂ．３．１ＮＯ．吕吉，李萍

中波红外长焦距折反光学系统设计

第8卷　第2期2015年4月　中国光学 Chinese Optics Vol.8　No.2　Apr.2015 收稿日期:2014⁃10⁃17;修订日期:2015⁃01⁃15 基金项目:装备预研基金资助项目(No.51301060207)文章编号　2095⁃1531(2015)02⁃0234⁃07中波红外长焦距折反光学系统设计虞林瑶1,2∗,魏　群1,张天翼1,2,王　超1,韩景壮1,朱瑞飞1,宋宝奇1,贾宏光1(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:针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求,设计了一种中波红外折反光学系统。

该系统根据其它模式制导的要求,采用固定焦距和口径的主镜,通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度,同时也降低了制造成本。

设计了波长为3.7~4.8μm、焦距f 为300mm、F 数为2的中波红外成像系统。

结果表明,该系统结构紧凑像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并且在-50~70℃可实现光学被动消热差。

针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法,该系统满足实际加工和应用需求。

关　键　词:红外光学系统;折反系统;无热化中图分类号:TN215;TH691.9 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20150802.0234Design of long focal infrared catadioptric optical system for multi⁃guided systemYU Lin⁃yao 1,2∗,WEI Qun 1,ZHANG Tian⁃yi 1,2,WANG Chao 1,HAN Jing⁃Zhuang 1,ZHU Rui⁃fei 1,SONG Bao⁃qi 1,JIA Hong⁃guang 1(1.Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China ;2.University of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100049,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :yulinyao 87@ Abstract :In order to meet the requirement of compact structure and athermal stability with wide temperature range,a middle infrared catadioptric optical system is designed.According to the requirements of other guided modes,the focal length and aperture of the primary mirror is fixed.The height of the principal ray reaching the relay system can be reduced.The aperture of the lens can be decreased,which will lower the cost.Acompact infrared imaging system with a wavelength 3.7-4.8μm,focal length f =300mm,F number 2,is presented in this paper.The results show that the system performs well and the optical transfer function of each field is close to the diffraction limit.Between –50-70℃,passive optical athermalization can be realized inthis system.For this system,the tolerance analysis and some ways of resisting the stray light are presented atlast.It shows that the MIR system meet the demand of actual processing and application. Key words:infrared system;catadioptric system;athermalization1　引　言近年来,随着红外探测器技术的飞速发展,探测器像元尺寸逐渐缩小,面阵规模逐渐增大,这为设计简单、紧凑、远作用距离的前视红外光学系统奠定了基础。

红外变焦距光学系统的设计

ｓｔｃｎｅｔｒｕｅｅｔｒｔａａｐｃｔｎｙｅａｍｔｅｉｍｎｏｐｃｃｐｌａｏ．ｓｍｅｈｑｒｅｆｉｌｉｉａ
ＫｙｏｄＲｎＺｏＭｅｈｎｃｌｅｗｒ：ＬｓｏｍｃａｉＩｅａ
独创性（或创新性）声明
以改变焦距。另一组活动镜片称为“ ｏｐｎｔ＂补偿透镜，动轨迹先向Ｃｍｅｓｏ（ａｒ）移前，再向后，以保证影像在任何焦距时都具有正确的焦点位置。这种焦点校正方法是用凸轮来实现所需的非线性移动，所以称为 “ 机械补偿法” 由。于受当时凸轮的
加工工艺的限制，变焦距物镜加工后像质不能满足使用要求。
态，因而在产生热过程的一切领域，可成为一种无损伤检测工具。随着人们生产实践活动领域的扩展和深入，提出了既要能对被观察物体做大区域小倍率的粗略识别，同时又能对它作小区域大倍率的仔细观察，由于定焦距系统只能提供一个单一的视场范围和一个单一的焦距，所以不能兼顾成像质量和搜索范围。在这种情况下，变焦距光学系统就应运而生。变焦系统是指焦距在一定范围内变化，而像面保持不变或基本不变的系统。１３－１６年间，９０９０受电影摄影需要的推动，变焦距照相物镜获得很大发展。１３９２
ｔｎｍｓｏａｄｉｉｏｔａｏｐｅ．ｒｓｉｉｎｅｓｏｆｔｓｈｒａｓｎｍｓｎｈｍｅｅ
Ｏｔｂｓｆｈｒｏｉｂｌｈｚｏｓｔｄｉ，ｅｏｏｉｏｔｔｏｖｉｅｔｍｓｍｓｎｔｍｔｄｎａｓｈｅｙｆｌｉｏｙｅｅｇｈｈｅｅｓｇｅｈｆｄｓｎｇｚｏｓｓｍｉｐｓｔ．ｓｅａｐｏｍｃａｉｌｃｍｅｓｅｅｇｉＩｏｍｔｓｒｅｅＡａｘｍｌｆｈｎａｙｐｎａｉｎＲｙｅｓｎｄｎｅｅｃｌｏｅｔｚｏｌｓｉｄｓｎｄＡｍｕｒｇｍｓｎｄＧｕｓｉｌｌｅｏｏｍｅｓｉｅ．ｏｐｔｐｒｄｉｅｆａｓｏｔａａａｓｆｅｓｅｇｎｃｅｒａｅｇｏｏｒｐｃｎｙｓ

紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

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。

30x中波红外连续变焦光学系统设计

ｒｓｌｉｎａｄｅｃｌｎｍａｅｎｗｈｌａｇｆｔｅｆｃｌｌｎｔｎｄｉｏｄｓｉｌｆｃｅｃｓ１０％．ｅｏｕｔｘｅｌｔｉｇｓｉｏｅｒｎｅｏｏａｅｇｈ，ａｔｃｌｈｅｄｅｏｎｅｈｓｉｉｎｙｉ０Ａｎｔｈｓｔｅａｖｎａｅｆａａｇｏｍａｉｄｉａｄａｔｇｓｏｌｅｚｏｈｒｒｔｏ．ｃｍｐｃｔｕｔｒｄｈｒｐｉａｅｔｏａｔｓｒｃｕｅａｓｏｔｏｔｌｌｎｇｈ．Ｔｈｙｔｍｎｃｅｓｓｅｓｔｓｉｓｔｅｄｓｇｅｕｒｍｅｔ．ａｉｆｅｅｉｎｒｑｉｅｎｓｈＫｅｒ：ｏｔｃｅｉｎ；ｉｆａｅｙｔｍ；ｃｎｉｕｕｏｍ；ｌｒｅｚｏｒｔｙｗｏｄｓｐｉａｄｓｇｌｎｒｄｓｓｅｒｏｔｎｏｓｚｏａｇｏｍａｏ；ｉ
摘要：基于制冷型３０２０凝视焦平面阵列探测器，设计了３ｘ中波红外大倍率连续变焦光学系２￣４０
统。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。详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３～０ｍ的连续变焦，０９０ｍＦ数为４工作波段为３～．ｐ，．４８，７ｍ，满足１００％冷光阑效率，空间频率为１ｌ／处，在６ｐｍｍ系统ＭＴＦ值大于０５．。系统具有变倍比大，结构紧

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

３．ＫｅｂｒｔｒｆＦｕｄｍｅｔｌｃｅｃｏｔｏａｆｎｓｆＡｅｏａｄＧｒｕｄＬａｅｍｍｕｉａｉｎＴｅｈｏｏｙ，ＣｈｎｃｕｙＬａｏａｏｙｏｎａｎａＳｉｎｅｆｒＮａｉｎＤｅｅｅｏｒｎｏｎｓｒＣｏｌｎｃｔｃｎｌｇｏａｇｈｎ
Ｓｉｎｅ，ｈｎｃｕ３０３ｈｎ；２ＧａｕｔｉｅｓｙｏｉｅｅＡａｅｆＳｉｎｅ，ｅｉｇ１０４，ＣｉａｃｅｃｓＣａｇｈｎ１０３，Ｃｉａ．ｒｄａｅＵｎｖｒｔｆＣｈｊ
ＵｎｖｒｉｆＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇｉｅｓｙｏｃｃｅｈｏｏｙ，Ｃｈｇｈｎ１０２，ｈｎ）ｔｅｎｎａｃｕ３０２Ｃｉａ
Ａｂｓｒｃ：Ｉｒｅｏａｈｅｅｔｅｎｅｓｏｉｈｚｏａｉｎｏｇｆｃｌｌｎｔｔｉｐｅｔｕｔｒｎｔａｔｎｏｄｒｔｃｉｖｈｅｄｆｈｇｏｍｒｔａｄｌｎｏａｅｇｈｗｉｓｍｌｓｒｃｕｅｉｏｈｉｆａｅｃｎｉｕｏｚｏｏｔｃｌｙｔｍ，ｄｆｒｃｉｅｕｆｃｗａｅｐｏｅｎｐｉａｓｓｅ．Ａｈｂｒｄｎｒｒｄｏｔｎｕｓｏｍｐｉａｓｓｅｉｆａｔｓｒａｅｖｓｍｌｙｄｉｏｔｃｌｙｔｍｙｉｒｆａｔｖｅｃｉｅ—ｄｆｒｃｉｅｏｍｏｔａｓｓｅｗｏｋｉｇｎｒｉｆａｔｖｚｏｐｉｌｙｔｍｃｒｎｉ３．７—４．ｘｗａｄｓｇｅ８Ｉｍｓｅｉｎｄ．ｔｅｙｔｍｂｅｋｓｈｓｓｅｒａｔｒｕｈｔｅｌｔｔｎｓｏｒｄｔｏａｅａｔｅｚｏｌｎｓｓｅｈｃａｏｉｕｔｎｏｓｙａｉｆｅｈｏｇｉａｉｆｔａｉｎｌｒｆｃｉｏｍｅｓｙｔｍｗｉｈｃｎｎｔｓｍｌｅｕｌｓｔｓｙｔｈｍｉｏｉｒｖａｈｒｑｉｅｅｔｆｈｇｏｍａｏ，ｌｎｏａｅｇｈａｄｓｍｐｅｓｒｃｕｅｅｕｒｍｎｓｏｉｈｚｏｒｔｉｏｇｆｃｌｌｎｔｎｉｌｔｕｔｒ．Ｔｈｏｍａｉｆｔｅｓｓｅｉｅｚｏｒｔｏｙｔｍｓｏｈ

中波红外连续变焦光学系统

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]。

大面阵中波红外连续变焦光学系统设计

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
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2012(020)010
【摘要】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.
【总页数】6页(P2117-2122)
【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】TN216
【相关文献】
1.紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计 [J], 顾宪松
2.大靶面中波红外连续变焦光学系统设计 [J], 吴海清;李同海;赵新亮;曾宪宇;王朋
3.小型化大面阵非制冷红外连续变焦光学系统设计 [J], 吴海清; 王朋
4.机载小型化中波红外连续变焦光学系统设计 [J], 吴海清;王玮超
5.80倍中波红外连续变焦光学系统设计 [J], 杨明洋;杨洪涛;曲锐;梅超;周祚峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。