光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计

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第 34卷 第 5期2013年 9月应 用 光 学Journal of Applied OpticsVo1．34 No．5Sep．2013文章编号 ：1002—2082(2013)05—0738—04光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计张 良，潘晓东，刘 玉，刘红霞(中航工业洛阳电光设备研究所 ，河南 洛阳 471023)摘 要 ：根据光学补偿 变焦距理论，基 于红外 中波制冷型 320×240焦平面探测器，设计 了31 光学补偿式红外步进变焦光学系统。该光学系统工作波长范围为3 m～5 p．m，光学系统的 F 和探测器相 匹配，恒定为 4，冷屏效率 100 ，焦距 范围 430 mm～12．867 mm。采用 3种光学材料和非球 面对光学系统进行优化设计 ，对 7个视场严格校正了像差，各个视场的 MTF曲线均接近衍射极 限，获得 了良好的像质。

关键词 ：光学补偿 ；步进变焦 系统；光学设计；红外中圈分类号 ：TN202；TH703 文献标 志码 ：A doi：i0．5768／JAO201334．0501004Design of optical compensated high zoom ratio infrared step zoom lensZHANG Liang ，PAN Xiao—dong ，LIU Yu，LIU Hong—xia(Luoyang Electro—Optical Equipment Research Institute of AVIC，Luoyang 471023，China)Abstract：According to the optical compensation theory，a 31 infrared step zoom optical sys—tern was designed baged on 320× 240 cooled mid—wave infrared (MW IR) focal plane array(FPA)detector．Its operation wavelength range was 3 m～ 5 m ，F number was 4，cold stopefficiency was i00 ，and focal length range was 430 mm～ 12．867 mm．The step zoom opticalsystem was optimized by adopting three kinds of optical materials and aspheric surface．Aber—rations of seven fields of view (FOVs) were strictly corrected，the MTF of each FOV wasclose to diffraction limit，and the image quality was good.

Key words：optical compensation；step zoom system ；optical design；infrared引言目前 ，军用红外热像 仪通 常具有单 视场、2视场或 3视场，随着应用的深入和任务需求的不断扩展 ，要求红外热像仪要具备 多个光学视场 (≥3)。

实现多视场的主要方法有 ：间断变焦和连续变焦。

间断变焦多视场实现方式可 以分 为：径 向插入不 同倍率变倍镜组方式和轴 向移动镜组改变系统组合焦距方式。间断变焦多视场的主要优点是视场到位快、容易获得优 良像质；主要缺点是在视场转换过程中，图像是间断的。该缺点可以通过不同视场问采用无级电子变倍技术来弥补图像间断的不足。

连续变焦光学系统的实现方法一般分为：机械补偿法和光学补偿法。连续变焦红外成像系统是一种焦距可连续变化 、而像 面位置保持稳 定和在变焦过程 中像质保持 良好 的成像系统。连续变焦红外成像 系统的主要优点是在视场转换过程 中能够保持图像的连续性，不会丢失 目标，这对于目标的探测、识别等都非常有利。主要缺点是视场到位慢 、设计难度大。

为了降低连续变焦光学系统设计难度的同时又实现多视场，本文设计 了基 于光学补偿法 的红外步进变焦光学系统，这种方法不但降低了设计难度，简化了结构构型，而且控制方式简单，使整机的外形尺寸、成本和质量都得到了有效的控制 。

收稿 日期 ：2013-02—20； 修 回日期 ：2013—03—15作者简介：张良(1973一)，男，河南开封人，高级工程师，硕士，主要从事红外系统总体技术与光学系统设计工作。

E—mail：zhangliang．1y_###1 63．corn应用光学 2013，34(5) 张 良，等：光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计 ·739 .

1 光学补偿式步进变焦系统原理红外变焦光学系统可以分为连续变焦和多档变焦光学系统 ，与连续 变焦光学 系统 相 比多档 变焦系统具有结构简单、可靠性高的特点。

光学补偿式变焦系统是在保持光学系统中一部分透镜位置不变，另一部分相对 固连在一起 ，该部分镜组沿光轴方向按一定规律移动实现焦距的改变。按照光学补偿步进变焦理论对无 限远物体成像，如果由分离的透镜组组成的光学补偿式步进变焦光学系统存在n个间隔，就会有 个焦距的像面处在同一个位置[1-53。

根据瑞利判据 ：如果光程差小于或等于 (1／4)，则光学系统的性能就可与完善系统的性能相媲美。在这种情况下，一个物点的像就接近于完善的爱里斑。同时，根据焦深公式：一 ± 2A(F ) (1)可知，只要光学系统像面位于焦深范围内，其所成的像都可以看作是完善像。

因此，将光学补偿步进变焦理论、瑞利判据以及光学系统焦深相结合，对于存在 个间隔的光学补偿式 步进 变焦光学系统 ，能够获得多 于 个焦距在同一像面位置清晰成像。

图 1 光学补偿式步进变焦光学 系统示 意图Fig．1 Schematic diagram of opticalcompensa~d step zoom lens光学补偿式步进变焦系统，都是通过一个镜组 的移动实现系统焦距 的变化 ，在满 足变焦 的同时像质保持 良好。 通常这样的系统由前固定组、变倍组和后 固定组组成 ，其 中前 固定 组和后 固定组均为正透镜，变倍组为负透镜，当变倍组沿轴向移动时 ，整个系统的焦距随之改变 。

光学补偿式步进变焦系统的像差平衡方法基本上与连续变焦光学系统像差平衡一样，为了在全视场和全孔径 内获得满意的像质 ，要考虑到降低高级像差，以及轴上点与轴外点像差 ，细光束与宽光束像差 ，各种色差都要校正好。

一 般来说 ，优化过 程 中利用 前 固定 组 、变倍组 使不同焦距位置的像差相等并尽可能小，残留像差用后固定组来校正，使光学系统整体像差达到最小 。

2 设计实例与分析2．1 设计指标在 31 光学补偿式红外步进变焦光学系统设计中，采用的是中波 320×256凝视焦平面阵列探测器 ，面元尺寸 30肚m×30 gm，光学系统设计指标如表 1所示。

表 1 光学 系统设计指标Table 1 D~ign indices of optical system工作波段／ m放大倍率光学视场／(。)F#人瞳直径／mm焦距 范围／ram透 过率／3～ 531：11．3(窄视场)40(宽视 场)4110430～ 12．867> 70根据表 1中的设计指标进行分析 ，可以算出系统焦距 的变化范围是 12．867 mm～430 mm，对于具有大 F 的系统而言，大的变焦范围很 易实现 ，然而 ，F 的增 大必然伴 随着 系统灵敏 度 的下 降。

因此，在设计中必须综合平衡各方面因素来确定系统的 F 。另外 ，在尽量减小物镜尺寸的同时保持系统的冷光阑效率为 100 ，系统设计 中必须采用二次成像的方法。

2．2 仿真结果光学系统仿真设计结果如图 2所示 。光学补偿式步进变焦光学系统由3部分组成，前固定组，变倍组和后 固定组 ，其对系统光焦度 的贡献分别为正、负、正、负、正。系统总长 400 mm，使用单晶硅、单晶锗 、硒化锌 3种光学材料。

· 740 · 应用光学 2013，34(5) 张 良，等：光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计图 2 不 同变 焦位 置光线追迹 图Fig．2 Optical path under different zoom positions2．3 像质评价2．3．1 传 递 函数传递函数是光学系统 的主要评价手段 。本设计中不同视场的传递函数曲线如图3所示，具体传递函数值(16 lp／mm处 )见表 2。从 表 2中可见 ，各变焦位置的传递函数值接近衍射极限，像质得到了较好的校正 。

1．00．90．8．70．60．50．40．30．2O．1～— _、S 0二 ．!，、 、＼ ’～ ll图 3 MTF曲线Fig．3 M TF curves应用光学 2013，34(5) 张 良，等：光学补偿式红外高变倍比步进变焦光学系统的设计 ·741 ·2．3．2 能量分布窄视场和宽视场的能量分布曲线如图4所示。从图 4中可以看出窄视场 70％的能量集中在探测器的一个面元内，宽视场的能量全部集中在探测器的一个面元内。

3 结 论图 4 能量分布Fig．4 Distribution of encircled energy2009，36(6)：1-3在光学 补偿步进变焦理论 、瑞利判据 以及光 [J]．0pt。
一 E1e。tr。nic Engi ee ing，2009,36(6)：1-3.

学系统焦深相结合 的基础上 ，采用 8片透镜 ，3种 (i Chine e with a Engli h b tract)光学材料实现了 31 光学补偿步进变焦光学 系统 [2] 陶亮，赵劲松．5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系的设计，并且像质优良，能在很大的范围内实现步 统[J]．红外技术，2008，30(4)：210—213.

进变焦，具有高的变焦比。该系统可广泛用于光 TAO Liang，ZHAO Jin-song．Opticaly compensated电探测设备 ，具有较好的工程应用价值 。 LWIR zoom objective with magnification of 5 [J].

Infrared Technology，2008，30(4)：210—213．(in Chi一参考 文献 ： nese w h an English abs rac )[1] 史光辉．光学补偿式步进变焦距物镜[J]．光电工程， (下转第 747页)应用光学 2013，34(5) 肖韶荣，等 ：紫外 LED圆环阵列均匀照明的实现方法 ·747 ·[7][8]sign a single spot UV—curing system with two—dimen—sional UV—LED arrayi-J]．Journal of Applied Optics，2009，30(1)：16—19．(in Chinese with an English absteact)张 宁．LED面光源均匀 化方法 [J]．信息化研究 ，2O1O，38(3)：46—49.

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