红外中波连续变焦光学系统的设计

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中波红外变焦距系统的光学设计[1]

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。

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

高清晰大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

陈津津，金宁，周立钢，贾星蕊
（昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）
摘要：随着红外热成像系统的不断发展，对红外光学系统也提出了更高的要求。为了满足红外探测器在军事方面的广泛应用，整机系统对高性能、大变倍的红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针
关键词：连续变焦；机械补偿；二次成像；冷屏效率
中图分类号：ＴＮ２１６文献标志码：Ａ文章编号：１００７ — ２２７６（２０１３）１０ — ２７４２ — ０６
Ｈｉｅｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌ
ｃｏｍｐｅｎｓａｉｏｔｎｃｏｎｉｎｔｕｏｕｓｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｇｒｅａｔｅｒｔｈｎａ３０ｘｚｏｏｍｒｎｇａｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂａｓｅｄｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄ６４０ｘ５１２ｃｏｏｌｅｄｓｔａｒｉｎｇｆｏｃａｌｐｌｎｅａａｒｒａｙ（ＦＰＡ）ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｍｅｃｈｎｉａｃａｌ
对高端中波制冷型６４０ｘ５１２凝视焦平面探测器，设计了结构紧凑、性能优良的高清晰大变倍比机械补偿连续变焦光学系统。该系统工作波段为３．７～４．８Ｉｘｍ，Ｆ数为４，变倍比为３５：１，变焦范围为１５～５５０ｍｍ。该系统运用“ 平滑换根 ” 理论，实现了超大变倍比的连续变焦光学系统设计，并且采用二次成像以及４５。反射镜对光路进行ｕ型折叠，在实现了冷屏效率１００％的同时有效控制了该系统的横向和径向尺

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【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］。

25倍中红外连续变焦光学系统设计_周昊

第３２卷第４期２０１２年４月
光学学报ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．４Ａｐｒｉｌ，２０１２
２５倍中红外连续变焦光学系统设计
周昊１，２刘英１孙强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１３００３３２中国科学院研究生院，北京１０００４９
图１光学系统原理图Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ
２．１变焦系统连续变焦系统需要满足系统焦距连续改变和像
面位置保持稳定这两个条件。机械补偿式连续变焦系统可以通过变倍组和补偿组的移动来实现这两个要求。为了提高变焦系统的变焦比，采用两个机械补偿式变焦系统串联的方式来组成一个变焦系统，其原理如图２所示。各透镜组的焦距不变，三个固定组Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３的位置保持固定。通过两个变倍组（ｚｏｏｍ）Ｍ１、Ｍ２和两个补偿组（ｃｏｍｐ）Ｃ１、Ｃ２的移
就是要保证冷光阑效率１００％，除此之外二次成像
系统还可以起到压缩物镜口径的作用。光学系统原
理如图１所示：无穷远物体经变焦系统成像在一次
像面Ｉ１处，一次像面Ｉ１再经二次成像系统成像在
二次像面Ｉ２处。用ｆｚ表示变焦系统的焦距，βｒ表示一次像面经二次成像系统成像时的放大倍率，则
０４２２００１－１光学学报２ Nhomakorabea设计原理
本文所设计的中波红外连续变焦光学系统由变

红外系统光学系统

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

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。

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

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。

offner型连续变焦中波红外光谱成像系统设计

第7期
红外与激光工程

第48卷
0引言
红外光学系统具有隐蔽性好、抗干扰能力强以及在一定程度上能够识别伪装目标等特点"役光谱成像技术是光谱分析技术和图像分析技术发展的必然结果，是二者完美结合的产物，光谱成像技术不仅具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对物体进行定性和定量分析，而且还能进对其进行定位分析131 o连续变焦中波红外光谱成像系统更被广泛应用在大气科学、地质、天文、生态和海洋等学科，其在识别目标、资源调查、精细农业和生物医学等众多领域也具有广泛的应用前景。另外由于连续变焦距光学系统可以在连续变焦过程中，在无需调整系统的位置情况下始终保持像面上接收到的目标物体的清晰图像，避免丢失快速运动的目标，是红外成像系统同时解决大视场搜索目标和小视场观察目标的最佳选择，所以若把连续变焦距光学系统与光谱成像系统相结合，将变焦光学系统应用到光谱成像系统当中，就可以更有效地提高系统的探测效率一"。
摘要：为了适应不同视场光谱仪的应用需求，设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系
统。该系统引入前置变焦系统实现60-300 mm范围连续变焦，同时采用光栅型offner同心结构进行
光谱分光及成像，系统工作波段为3~5 |xm,选用制冷型红外探测器，系统F#=4.0o根据物像交换原则
及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算，并应用zemax软件对各子系
Abstract: In order to adapt to the application requirements of different field of view spectrometers, a continuous zoom medium-wave infrared spectrum imaging system based on offner scheme was designed. The front zoom system to achieve continuous zoom in the range of 60 -300 mm was introduced in the system, and a grating -type offner concentric structure was used for spectral splitting and imaging. The working band was 3-5 |xm, the cooled medium -wave infrared detector was used, the F#=4.0 in this system. According to the object image exchange principle and the power distribution principle, the initial structure of the front zoom system and the relay system were calculated, and the zemax software was used to optimize each subsystem to meet the design parameters. The modulation transfer function of the final continuous zoom medium-wave infrared spectrum imaging system based on offner scheme was close to the diffraction limit at a spatial frequency of 33 lp/mm, and the root mean square radius of the spot was smaller than one pixel. The design results show that the system structure is simple, and the image quality is good and meets the design indicator requirements at each focal length position and each spectral segment. Key words: spectral imaging; continuous zoom; medium wave infrared system;

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

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]。

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表２变焦系统参数
Ｔａｂｌｅ２Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ
一远。醯《鬓Ｈ馨—塞氧Ｎｋ＿３
图１系统光路图（ａ）长焦，（ｂ）２。焦，（ｃ）４。变焦，（ｄ）８。变焦Ｆｉｇ．１Ｏｐｔｉｃａｌ—ｐａｔｈｏｆｔｈｅｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ（ａ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ
ｗｉｔｈｌｏｎｇｆｏｃｕｓ，（ｂ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ２‘ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，（ｃ）
设计的另一重要方面就是杂光抑制，红外图像表征景物的温度分布，是灰度图像，分辨率低，所以在设计光学系统时，一定要尽量提高信噪比，抑制噪声，采取杂散光抑制措施．由于本文是透射式系统，所以在杂光抑制方面略优于反射系统，通过筒壁加工合适高度、形状和间隔的螺纹，可以有效达到抑制杂光的效果．
３设计结果
（１．南京电子技术研究所，江苏南京２１００３９；２．南京天文光学技术研究所，江苏南京２１００４２）
摘要：设计了红外连续变焦光学系统，该系统具有镜片少、透过率高、连续变焦倍率大、波段广、相对孔径大等突出特点．二元面和非球面的引入，使系统在不同变焦结构时１４ｌｐ／ｍｍ处的ＭＴＦ均大于０．６，很好地校正了系统的色差和轴外像差．该系统在仅使用４片镜片的情况下，实现了８倍连续变焦，系统透过率高于８０％．结果表明该变焦系统具有良好的成像质量．关键词：光学设计；变焦系统；连续变焦；红外；衍射光学元件；无热化中图分类号：０４３６文献标识码：Ａ
用的光学材料较少，且价格贵，光学系统要消色差就
必须采用多种玻璃，因此本文采用具有独特消色差
和消热差特性的二元元件．
二元光学元件在系统中主要用于校正色差，同
时可以校正其它像差，有利于简化系统结构、缩小体
积和减轻系统重量，具体原理简述如下旧引．
一般光学镜片的色差是由光学玻璃的材料色散
特性引起的，而二元光学元件（ＤＯＥ）的色差是微结
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｌａｒｇｅｒｅｌａｔｉｖｅａｐｅｒｔｕｒｅｗｉｔｈｈｉｇｈｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ，ｌａｒｇｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｒａｔｉｏ，ａｎｄｗｉｄｅｗａｖｅｂａｎｄ．Ｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄａｎａｓｐｈｅｒｉｃ
Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ４。ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，（ｄ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ８。
ｒｏｏｍｒａｔｉｏ
如图２所示为连续变焦系统的传递函数（ＭＴＦ），空间频率在１４Ｉｐ／ｍｍ时系统在各变焦情况下，ＭＴＦ均高于０．６，图３为变焦系统的点列图ＳＰＯＴ，弥散斑尺寸都很小，这说明该系统在全焦距范围内都具有较好的成像质量，满足使用要求．
Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｚｏｏｍｌｅｎｓｅｓ
ＸＵＥＨｕｉ１，ＬＩＣｈａｎｇ．Ｗｅｉ２
（１．ＮａｎｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４２，Ｃｈｉｎａ）
ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｂｏｖｅ０．６ｆｏｒａｌｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｒａｔｉｏｓａｔｔｈｅｓｐａｔｉａｌ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ１４１ｐ／ｍｍ．Ａｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｎｌｙｃｏｎｔａｉｎｓ４ｌｅｎｓｅｓ，ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ８０％，ａｎｄｔｈｅｚｏｏｍｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄａｌｓｏｒｅａｃｈ８ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ａｓｔｈｅｃｏｌｏｒａｎｄｔｈｅｏｆｆ－ａｘｉｓａｂｅｒｒａｔｉｏｎａｒｅｗｅｌｌｃｏｒｒｅｃｔｅｄ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｉｍａｇｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｅｔｔｙｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｚｏｏｍｌｅｎｓｅｓ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ—ｚｏｏｍ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔ；ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ
万方数据
５期
薛慧等：红外中波连续变焦光学系统的设计
短焦；变倍组是系统实现连续变焦的核心部件，通常选用高折射率、低色散的光学材料，本系统采用了锗，面型为双凹的负透镜；补偿组用于焦平面位置的补偿，通常采用正光焦度透镜；后固定组则采用了ＺｎＳｅ材料，并且，其前表面是二元面，可以进一步消色差和高级像差，改善整个光学系统的成像质量．系统在连续变焦过程中，前固定组和后固定组位置不变，焦平面位置固定，保证了整个系统的总长度不变．由图１可知，整个系统包含４片透镜，比通常的连续变焦系统减少了３０％的镜片．镜片的减少，减少了整个系统的反射损耗，提高了系统的透过率，该系统的透过率高达８０％，系统径向口径最大１６０ｍｍ，系统具体设计参数如表２所示．
求；但对大视场变焦系统，或大倍率变焦系统，要求
二级色差小，则必须采用正组补偿．本文中设计的变
焦系统要求最大视场±８．２。，入瞳直径１５０ｍｍ，属
视场和孔径较大的系统，其色差和高级像差较难校
正，因此本系统采用正组补偿方式实现连续变焦．
由于系统要求视场角比较大，反射式结构难以
满足要求，所以系统结构拟采用透射式．红外波段常
基金项目：南京电子技术研究所控课题预研基金
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍｓ：ＳｕｐｐｏｓｅｄｂｙＡｄｖａｎｃｅｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＮａｎｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、
作者简介（Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ）：薛慧（１９８４一），女，内蒙古巴盟人，工程师，硕士，主要从事光学设计方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｅｈｕｉ＿２００１＠１６３．ｃｏｍ．
～
图２变焦系统ＭＴＦ（ａ）长焦，（ｂ）２。变焦，（Ｃ）４１变
焦，（ｄ）８。变焦
、
Ｆｉｇ．２ＭＴＦｏｆｔｈｅｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ．（ａ）Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌｏｎｇ
ｆｏｃｕｓ，（ｂ）ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ２。ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，（ｃ）ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ
４。ｒｏｏｍｒａｔｉｏ，ａｎｄ（ｄ）ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ８“ｒｏｏｍｒａｔｉｏ
第３ｌ卷第５期２０１２年１０月
红外与毫米波学报
Ｊ．ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ
文章编号：１００１—９０１４（２０１２）０５—０４２１—０５
Ｖ０１．３１，Ｎｏ．５Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１２
ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０１０．２０１２．００４２ｌ
红外中波连续变焦光学系统的设计
薛慧１，李常伟２
基于上述现状，作者设计了一个镜片少、结构简单、变焦曲线短而平滑，用于中波红外非制冷探测器的连续变焦系统．该系统通过引入二元面和非球面，改善了系统的成像质量，同时精简了系统结构，显著提高了连续变焦系统的透过率．连续变焦系统通过焦距的连续变化，对不同视场目标成像，实现探测跟
踪的连续性．
１技术参数、
构衍射的波长依赖性引起的，对ＤＯＥ，由其色散特
性推导出来的等效阿贝常数俨和部分色散系数Ｐ。
为：
俨＝忐一Ｄ糕，
㈩
式中Ａ：为光学设计中心波长，Ａ。，Ａ，为选定消色差的两个波长．
在中红外波段设计中，Ａ．＝３．７Ｉｘｍ，Ａ：＝４．５
斗ｍ，Ａ，＝５．３卜ｍ，则俨：一２．８，Ｐ”＝０．５，可见ＤＯＥ的等效阿贝常数和一般光学材料的阿贝常数是相
反的．
和传统的消色差透镜组相比，由于ＤＯＥ具有负
的阿贝常数，所以ＤＯＥ在光学应用中有许多不同的特点．传统的消色差透镜组采用的是正负透镜组合的形式，为了达到消色差的目的，每块透镜的光焦度绝对值都较大，而这又会带来更大的系统单色像差，最终使整个光学系统镜片多而复杂．而在红外波段，由于可供选择的玻璃材料有限，消色差更为困难．在折／衍射混合系统中，衍射元件的等效阿贝常数为一很小的负值，且ＤＯＥ的光焦度非常小，这就使得单色像差容易较正．在折／衍系统中，衍射元件附在折射元件的某一面上，这样折／衍｝昆合透镜的体积、重量相当于单透镜，所以利用衍射元件可以简化光学系统，减少镜片数量，减轻光学系统重量，增加整个系统的透过率．
连续变焦光学系统是通过机械补偿实现变焦
的，其中根据补偿组的焦距正负分为正组、负组两种
补偿方式．通常，变倍组焦距相同时，两种补偿方式
相比较，正组补偿的连续变焦光学系统结构细而长，
而负组补偿的系统结构短而粗，且负组补偿二级色
差和球差均比正组补偿大．对小视场系统，且对球
差、二级色差要求低的情况，负组补偿可以达到要
如图１所示，为连续变焦光学系统的光路示意图，系统总长４４５．４ｍｉｌｌ，其长焦（２７５ｍｌＴｌ）、２。变焦（１３７．５ｍｍ）、４“变焦（６８．７５ｒａｍ）、８。变焦（３４．３７５ｍｍ）情况下的系统光路图分别如图（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）所示．图中，１、２、３、４分别表示变焦系统的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组四个部分．前固定组是整个系统的窗口，通常选用透过率高、硬度较大的材料，本系统采用了较为常用的硅，同时，为了避免引入较难校正的二级光谱，前固定组焦距采用了
众所周知，红外系统无热化设计的重要性，这是由于红外材料折射率温度系数较大，如单晶锗的折射率温度系数ｄｎ／ｄｔ为３．９６×１０～／。Ｃ，而可见光玻璃Ｋ９的折射率温度系数为２．０×１０“／℃，前者是后者的将近２００倍，这意味着大范围温度变化必然导致光学系统曲率、厚度、折射率等的变化，这严重影响了系统的成像质量旧Ｊ．由于本系统是变焦系统，所以在无热化设计方面不可能再采用传统的机械或机电被动方式，而是在设计过程中通过合理选择材料和各镜片焦距，再通过调整镜片间隔达到消热差的目的．除此之外，衍射元件具有负热差特性，也抵消了一部分热差．