25倍中红外连续变焦光学系统设计_周昊

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
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光 学 学 报
２ 设计原理
本文所设计的中波红外连续变焦光学系统由变
焦系统和二次成像系统组成。变焦系统在整个光学
系统中起连续变化焦距的作用。由于光学系统采用
的是中波红外制冷 型 探 测 器，因 此 系 统 需 要 满 足 冷
光阑效率１００％的要求。追加 二 次 成 像 系 统 的 目 的
２．２ 二 次 成 像 系 统 追加二次成像系统的目的是实现冷光阑效率
１００％ 的 要 求 和 压 缩 物 镜 口 径 。 为 了 压 缩 物 镜 口 径 ， 可将长焦位置 处 的 光 阑 设 在 固 定 组 Ｘ１。 光 阑 经 变 焦系统成像在一次出瞳 ＥＰＬ 处。如图４所示，Ｉ１ 表 示变 焦 系 统 一 次 像 面 的 位 置，Ｉ１ 经 二 次 成 像 系 统 成 像在二次像 面Ｉ２ 处，用 ＣＳ 表 示 冷 光 阑 位 置。ＥＰＬ 到一次像面 的 距 离 用 Ｌｅｉ１ 表 示，一 次 像 面 到 二 次 成 像系统的距 离 用 Ｌｉｒ１ 表 示，冷 光 阑 到 二 次 像 面 的 距
＝ Ｄ，
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周 昊 等 ： ２５ 倍 中 红 外 连 续 变 焦 光 学 系 统 设 计
解出
ｄ＊ ｍｃ
＝
Ｄ±
槡Ｄ２ －４ａ，
２
（８）
式中ａ ＝ （βｍ＊ｃβ－ｍ＊ｃ１）２ｆｍｆｃ＋Ｄ（ｆｍ ＋ｆｃ）。（８）式就是 子变焦系统的变焦方程。
２．１．２ 串 联 变 焦 系 统
图２所示的变焦系统由两个子变焦系统串联而
ｄｍｃｆｍ
，
＋ｆｃ －ｄｍｃ
（３）
ｌ′ｍｃＨ
＝－ ｆｍ
ｄｍｃｆｃ
，
＋ｆｃ －ｄｍｃ
（４）
（ ） ｌｍｃ ＝ １ －１ ｆｍｃ， βｍｃ ｌ′ｍｃ＝ （１－βｍｃ）ｆｍｃ，
（５） （６）
Ｄ ＝－ｌｍｃ －ｌｍｃＨ ＋ｄｍｃ ＋ｌ′ｍｃＨ＋ｌ′ｍｃ＝
（βｍｃ －１）２ｆｍｆｃ ＋ｄ２ｍｃ
－
βｍｃ ｆｃ ＋ｆｍ －ｄｍｃ
Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ
烆
２ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ
烎
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒ ３２０ ｐｉｘｅｌ×２４０ ｐｉｘｅｌ ｃｏｏｌｅｄ ｓｔａｒｉｎｇ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａ ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ
成。固定组 Ｘ１ 的 焦 距 用 ｆｘ１ 表 示。 系 统 在 某 位 置 成像时，固定组 Ｘ２ 的放大倍率用βｘ２表示；后固 定 组 Ｘ３ 的放大倍 率 用βｘ３ 表 示；两 个 子 变 焦 系 统 的 成 像 放大倍率分别用βｍｃ１、βｍｃ２表 示。 变 焦 系 统 在 该 位 置 时的焦距为
ｆｚ ＝ ｆｘ１βｍｃ１βｘ２βｍｃ２βｘ３．
整个光学系统的焦距ｆｓ 为 ｆｓ ＝ｆｚβｒ．
（１）
动 ，来 实 现 系 统 焦 距 连 续 改 变 并 且 保 持 像 面 Ｉ稳 定 。 在 变 焦 的 过 程 中 ，为 了 不 失 透 镜 的 移 动 过 于 复 杂 ，令 两变倍组具有相同 的 移 动 轨 迹，两 补 偿 组 具 有 相 同 的移动轨迹。即两 变 倍 组 具 有 固 定 的 间 隔，两 补 偿 组具有固定的间隔。
．
（７）
对于另一结构，要 求 子 变 焦 系 统 的 成 像 放 大 倍
率为βｍ＊ｃ。保持像面位置稳定，即Ｉ′Ｉ″之 间 的 间 隔 不
变。用ｄｍ＊ｃ表 示 该 结 构 处 变 倍 组 与 补 偿 组 的 间 隔。
由 （７）式 可 得
－
［（βｍ＊ｃ －１）２／βｍ＊ｃ］ｆｍｆｃ ＋ｄｍ＊ｃ２ ｆｃ ＋ｆｍ －ｄｍ＊ｃ
摘要 针对制冷型３２０ｐｉｘｅｌ×２４０ｐｉｘｅｌ凝视焦平面阵列 探 测 器，设 计 了 一 个 ２５ 倍 中 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。变焦系统由两 个 子 变 焦 系 统 串 联 而 成，可 以 实 现 高 变 焦 比；二 次 成 像 系 统 的作用是压缩物镜口径 和 实 现 冷 光 阑 效 率 的 要 求 。 该 中 波 红 外 连 续 变 焦 系 统 光 学 系 统 的 工 作 波 段 位 于 ３．７～ ４．８μｍ，可以实现１２～３００ｍｍ 连 续 变 焦，Ｆ 数 达 到 ２．５，满 足 １００％ 冷 光 阑 效 率 的 要 求 。该 系 统 具 有 变 焦 比 大 、相 对 孔 径 大 、变 焦 行 程 短 和 变 焦 轨 迹 平 滑 等 优 点 。 关 键 词 光 学 设 计 ；连 续 变 焦 ；中 红 外 ；高 变 焦 比 中 图 分 类 号 ＴＮ２１４ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１２３２．０４２２００１
ｒａｔｉｏ ｏｆ ２５ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ａ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ ｒｅ－ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｗｏ ｓｍａｌｌ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｔｉｏ；ｔｈｅ ｒｅ－ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｌｅｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔ．Ｔｈｅ ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ３．７～４．８μｍ，ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ １２～３００ ｍｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ １００％ ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；Ｆ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ２．５．Ｔｈｅ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｔｉｏ，ａ ｌａｒｇｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ，ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈ ｚｏｏｍ ｐａｔｈｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ；ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｔｉｏ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ２２０．２７４０；０４０．３０６０；２２０．３６２０
图２ 变焦系统原理图 Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｚｏｏｍ Fra Baidu bibliotekｅｎｓｅｓ
图３ 子变焦系统原理图 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａ ｐａｒｔ ｏｆ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓｅｓ
有以下公式 ： ［１０］
ｆｍｃ
＝ ｆｍ
ｆｍｆｃ
，
＋ｆｃ －ｄｍｃ
（２）
ｌｍｃＨ
＝ ｆｍ
１ 引 言
红 外 成 像 技 术 具 有 抗 干 扰 能 力 强、环 境 适 应 性 好和隐蔽性好等特 点，因 此 红 外 成 像 系 统 广 泛 地 应 用于警戒、侦查、防空和 制 导 等 军 事 领 域 。 ［１～３］ 随 着 红外成像技术的发 展 和 其 应 用 范 围 的 越 来 越 广，红 外定焦系统的缺点越来越明显。主要原因是由于红 外定焦系统视场单 一，不 能 同 时 实 现 搜 索 和 侦 查 的 目的。而红 外 连 续 变 焦 系 统 则 可 以 实 现 大 视 场 搜 索 、小 视 场 观 察 的 目 的 ，并 且 在 视 场 转 换 过 程 中 能 够
Ｍｉｄ－Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｚｏｏｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒａｔｉｏ ｏｆ ２５
Ｚｈｏｕ Ｈａｏ１，２ Ｌｉｕ Ｙｉｎｇ１ Ｓｕｎ Ｑｉａｎｇ１
烄１ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，烌
第 ３２ 卷 第 ４ 期 ２０１２ 年 ４ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ，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 １３００３３ ２ 中国科学院研究生院，北京 １０００４９
（９）
在变焦的过程 中，令 两 个 子 变 焦 系 统 的 像 面 位
置都保持 固 定，显 然 可 知βｘ２、βｘ３ 会 不 变。则 系 统 焦 距ｆｚ 与βｍｃ１βｍｃ２ 成正比。已知变焦系统焦 距 为 ｆｚ 的
一结构，需要求出焦距ｆｚ＊ ＝ Ｍｆｚ 的另一结构。即要
满足条件：
β β ＊ ＊ ｍｃ１ ｍｃ２
＝
Ｍβｍｃ１βｍｃ２，
（１０）
式中βｍ＊ｃ１、βｍ＊ｃ２分别表示新 焦 距 结 构 的 两 个 子 变 焦 系
统的成像放大倍率。
通过（８）式和（１０）式，再 约 束 上 两 个 条 件：两 变 倍组的间 隔 保 持 不 变，两 补 偿 组 的 间 隔 保 持 不 变。
就可以确定变焦系统在新焦距位置处的结构。
２．１．１ 子 变 焦 系 统 变焦系统由两个机械补偿式变焦系统串联组
成 ，我 们 称 这 两 个 系 统 为 子 变 焦 系 统 。 如 图 ３ 所 示 ， 子变焦系统由变倍组 Ｍ 和 补 偿 组 Ｃ 组 成，用 ｆｍ 表 示变倍组焦距、ｆｃ 表 示 补 偿 组 焦 距、ｄｍｃ表 示 变 倍 组 与补偿组的间隔。子变焦系统的物方主 平 面 用 Ｈｍｃ 表示，像方主平 面 用 Ｈ′ｍｃ表 示，焦 距 用 ｆｍｃ表 示。 变 倍组 Ｍ 到 Ｈｍｃ的 距 离 用ｌｍｃＨ 表 示，补 偿 组 Ｃ 到Ｈ′ｍｃ 的距离用ｌ′ｍｃＨ 表示。物点Ｉ′经子变焦系统成像在Ｉ″ 处，其放 大 倍 率 用βｍｃ表 示。 成 像 时 的 物 距 用ｌｍｃ表 示，像距用ｌ′ｍｃ表示。Ｉ′Ｉ″之间的间隔用Ｄ 表示。
收 稿 日 期 ：２０１１－０８－０４；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１１－１１－２４ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （６０９７７００１）资 助 课 题 。 作 者 简 介 ：周 昊 （１９８９— ），男 ，博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 光 学 系 统 设 计 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：８９ｚｈｏｕｈａｏ＠１６３．ｃｏｍ 导 师 简 介 ：孙 强 （１９７１— ），男 ，博 士 ，研 究 员 ，主 要 从 事 光 学 系 统 设 计 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｑ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ
图１ 光学系统原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ
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
保持图像的连续性，因 此 对 红 外 连 续 变 焦 系 统 的 需 求日益增强 。 ［４～９］ 所以设计红 外 变 焦 系 统 具 有 一 定 的现实意义。
传统的中波红外连续变焦系统要实现高变焦比， 往往会存在变焦行程长以及相对孔径小等问题。针对 这一问题，本文运用新的思路设计了一个连续变焦光 学系统，系统采用中波红外制冷型３２０ｐｉｘｅｌ×２４０ｐｉｘｅｌ 凝视焦平 面 阵 列 探 测 器。该 系 统 具 有 高 达 ２５ 倍 的 变 焦比，具有较小的Ｆ 数，且变焦曲线短而平滑。