红外变焦距光学系统的研究

红外变焦距光学系统的研究

摘要:基于战场环境要求红外光学系统不仅可以兼顾大视场搜索，还能够满足小视场瞄准跟踪的需求，针对160×128元非制冷焦平面阵列探测器，设计了8～12μm波段折射式长波红外连续变焦系统。该系统变焦过程中相对孔径不变，F数为3，变倍比为15∶1，在20～300 mm范围内可连续变焦。用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明，系统的调制传递函数接近衍射极限，成像质量优良，满足光学系统的设计要求。

关键词:红外变焦距光学系统光学设计调制传递函数

Abstract:The battlefield environment requires the infrared optical system can not only balance of large field of view based search, but also can meet the requirements of small field of view aiming and tracking requirements, according to the 160×128 element uncooled focal plane array detector,designed 8～12 band reflection type infrared continuous zoom system. The system of zoom process relative aperture unchanged,number 3,zoom ratio is 15∶1, in the range of 20～300mm continuous zoom. For image quality evaluation, the result of design with ZEMAX optical design software results, function is close to the diffraction limit transfer system modulation, good imaging quality,meet the requirements of the optical system design.

KeyWords:InfraredZoomOptical System;Optical Design;Modulation Transfer Function

近些年来，随着红外光学技术的快速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，得到定焦镜头无法达到的视觉效果。本文设计的远红外连续变焦光学系统采用机械式补偿方式对像面漂移进行补偿，实现了仅用七片透镜，达到高性能、高质量的要求；未采用非球面或衍射元件，便于实际加工与应用，并给出了具体的设计参量、设计步骤、变倍曲线和补偿曲线，验证了系统应用的可行性。

1 红外变焦系统的设计原理

变焦系统原理是为达到改变系统焦距的目的通过采用改变光学透镜的空气间隔来实现。但系统组元间在改变间隔的过程中像面会发生漂移，因此,要想得到不变的像面必须对其进行补偿,经常采用的补偿方式是光学补偿和机械补偿两种。

1.1 光学补偿方法是将镜头中的若干透镜或组元用机械方法连在一起同步移动,达到补偿效果

但系统不可能实现完全的补偿像面位移，移动组作用位置受限,即移动组必须移动到系统中某几个特定的点,才能得到稳定清晰的像

面,由此系统不易实现连续变焦。当系统变倍比较高时,像面漂移量较大,由此局限了使用范围,大大增加了光学设计的难度,所以较少使用。

1.2 机械补偿方法的实质

光学系统中变倍组沿光轴方向做线性移动,而补偿组采用的是沿光轴方向做相对少量的非线性移动,通过这样的运动补偿方式达到光学系统既满足变倍要求且能保证像面位置又稳定的要求[3]。采用机械补偿方法的光学系统设计中,要求焦距在一定范围内连续变化；保证整个系统的相对孔径基本保持不变；连续变焦过程中像面位置及尺寸保持稳定不变；像质满足技术要求，连续变焦系统的要求是在连续变焦过程中,各个变焦位置像质必须保持稳定一致,而不是某一两个固定位置像质保持稳定[4]。

2 光学系统设计

2.1 光学系统技术指标

根据用户的要求，该镜头的技术参量为：波长范围8～12μm，变焦镜头的焦距为20～300 mm，其F数为3，系统采用160×128元非制冷焦平面阵列探测器，像元尺寸为50 μm×50 μm，由此确定该系统的截止频率为10 lp/mm。

2.2 光学系统材料及结构选取

在红外8～12 μm波段，透镜材料通常选取常用的硫化锌（ZnS）、

锗（Ge）、硒化锌(ZnSe)[5]。

根据设计参量，通过在已有结构基础上进行修改，得到了如图1的变焦系统初始结构图。该结构由七片透镜构成，其中前固定组和补偿组为一片透镜，变倍组为两片透镜，后固定组由三片透镜组成。前固定组用于聚焦近距离的物体；变倍组通过移动改变系统的焦距；补偿组通过凸轮移动来保持像面稳定；后固定组用于承担系统的大部分光焦度，因为变焦系统补偿组的光焦度为负，所以该系统为负组补偿系统[6]。

2.3 设计过程分析与设计结果

在使用ZEMAX光学设计软件优化本系统时，为了满足系统的设计要求，经过了反复试验，多次优化。

光阑位置设置与第9个面重合，由于光阑与透镜相重合，所以能够较好的校正畸变和倍率色差。同时能够有效的减小透镜的直径，减小系统尺寸。经优化缩短系统总长度后，该系统在三个焦距下的结构总长均为330 mm，满足了像面稳定的需求。按照三级像差理论，采用一种材料，无法校正色差，更不能校正色球差，像质改善不明显，因此在原有的结构基础上更换玻璃材料，采用硫化锌代替锗作为最后一片透镜的材料。本系统中未引入了非球面元件，未采用衍射元件，便于实际加工及应用。应用ZEMAX设计软件中的多重结构命令，选