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)12-0694-04
Middle Infrared Continuous Zoom Optical System
YIN 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
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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×30μm
3～5μm
2
5×
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
h1
h2
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(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 system
2.3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。

160
140
120
100
80
60
40
20
20406080 100 120140
d
f
前固定组变倍组补偿组后固定组
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(a) 长焦调制传递函数 (b) 中焦调制传递函数
(c) 短焦调制传递函数 图4 调制传递函数MTF Fig.4 MTF of the system
(a) 长焦 (b) 中焦 (c) 短焦
图5 点列图
Fig.5 Spots diagram of the system
参考文献：
[1] 郜洪云, 熊涛. 中波红外两档变焦光学系统[J]. 光学精密工程, 2008,
16(10): 1891-1894.
[2] Allen Mann. Infrared zoom lens system for target detection[J]. Optical
Engineering , 1982, 21(4): 786-793.
[3] 陶纯堪. 变焦距光学系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 1988. [4] 郁道银. 工程光学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.
[5] 王之江. 实用光学技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007. [6] 林妩媚, 张凤鸣. 机械补偿法变焦距镜头的模块化设计[J]. 光电工程,
1999, 26(5): 69-72.。