机载轻小型中波红外连续变焦系统设计

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—0728—05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(北京空间机电研究所 ，北京 100076)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 3．7 m～4．8 m，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 11O g，具有体积小、质量轻、分辨率高、变焦轨迹简单等优点。

关键词：连续变焦 ；红外 系统 ；光学设计 ；航 空相机中图分类号 ：TN216；TH703 文献标 志码 ：A doi：i0．5768／JAO201334．0501002Design of mid—wave infrared continuous zoom systemGE Jing—jing，LIN Zhao—rong，ZHU Da—kai(Beijing Institute of Space Mechanics& Electricity，Beijing 100076，China)Abstract：Aiming at the cooled 320×256 detector with staring focal plane array(FPA)，an op—tical system of middle infrared continuous zoom system was designed for airborne optoelectron—ic detection and tracking apparatus．The system was composed of a zoom lens system ，a sec—ondary imaging system and two reflectors．In order to avoid the fabrication and testing error ofaspheric surface，the whole system was made of nine spherical glasses．The design results indi—cate that the system achieves the continuous zoom of 37．5 mm～ 150 mm，with working lengthof 3．7 m～4．8 m，and F number of 4，which can obtain the cold shield efficiency of 100 .

At the Nyquist frequency of 1 6 lp／mm，the MTF values of all focal length positions and field ofview are more than 0．5 5．which are closing to the diffraction limit．The overal1 lens length is280 mm and the weight is only 1 1 0 g．The optical system has the advantages of small volume，high image quality and simple structure.

Key words：continuous zoom ；infrared system ；optical design；aerial cameras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 ]。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 缺收稿 日期 ：2012-12-18； 修 回日期 ：2013-03—15作者简介 i葛婧菁 (1984一)，女 ，山东五莲人 ，博士 ，主要从事航 空光学遥感领域的研究 。

E-mail：gejin~ing977###gmail．COITI应用光学 2013，34(5) 葛婧菁 ，等 ：机载轻小型 中波红外连续 变焦 系统设计 · 729 ·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L4_8_，无法安置于机载轻小型 fP230 mm球形 吊舱之中。

本文基于中波红外 320X 256制冷型探测器 ，设计了一套4倍轻型中波红外连续变焦光学系统。

该系统可以实现 37．5 mm～150 mm 可连续变焦 ，变倍 比为 4 ，变焦 系统总 长 280 mm，质 量仅 为110 g，工作波长为 3．7 m～4．8 m，F数恒定 为4，满足 100 冷光阑效率 。在探测器 的空 间极 限分辨频 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。同时，该系统具有结构紧凑，灵敏度高、质量轻等特点。

l 系统设计1．1 光学技术指标系统采用 SOFRADIR公司的 320X 256凝视焦平面阵列探测器，光学系统设计指标如表 1所示。

表 1 光学设计 指标Table 1 Optical design indices参数 指标要求工作波段／ m探测器规格像元尺寸／ m像高／mm变倍 比焦距／mmF数变倍 方式系统 总长／mm物镜外径尺 寸／mm视场 (FOV)／(。)1．2 变焦光学 系统分析和结构形式的选取连续变焦光学系统一般采用机械补偿方式 ，几个运动组分按不同的运动规律作较复杂的移动 ，达到像面移动的完全补偿 。机械补偿方式容易实现较大的变倍比，而且不存在像面漂移口]。目前，机械补偿变焦系统主要有两种 ：正组补偿系统和负组补偿系统。正组补偿系统，即补偿组的光焦度为正的变焦系统，负组补偿系统即补偿组的光焦度为负。一般而言，在变倍组焦距值取绝对值的情况下，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 ，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[2]。根据本文系统设计参数要求，采用负组补偿结构形式进行系统初始结构计算。

由于系统采用 的是 中波红外制冷 型探测器 ，遵循光瞳衔接的原则，即满足所谓的冷光阑效率100 。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 了光学系统 的出瞳位置和大小，若冷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。

综合考虑待设计系统的使用目的和设计要求，系统的初始结构定型为负组机械补偿、二次成像结构。由于采用二次成像系统，就需要保证二次成像中的光瞳衔接，即前面变焦部分的出瞳和二次成像系统的入瞳衔接，才能保证系统冷光阑的效率口_8_。

1．3 变焦光学系统设计中波红外变焦距光学系统设计的主要过程包含以下 2个阶段：一个是变焦系统求高斯解过程，另一个是消像差设计过程。求高斯解过程的主要任务是依据系统设计要求的焦距、相对孔径、像面大小和外形尺寸计算各组份的结构参数以及可移动的范围；消像差设计过程的主要任务是对前面计算后的高斯结构进行设计优 化，分别 消除二次成像焦距位置的像差。为了校正系统的像差，提高像质质量，采取利用光学设计软件进行像差平衡之外 ，并合理搭配使用 红外 光学材料 。本文考虑到大尺寸、高质量的红外材料的制备难度，红外材料选 择最 常用、稳 定性 好、加工 工艺成 熟 的硅(Si)和锗 (Ge)两种材料 。同时 ，为 了保证 系统的加工误差和结构精度 ，本设计 中并没有 引入 任何非球面或衍射面。

2 系统设计结果2．1 连续变焦光学系统结构系统总长 280 mm，总质量为 110 g，满足轻小型的设计要求。变焦物镜 由前面的 5个镜片组成 。

系统第 1片镜片为前固定组，第 2片为变倍组，采用低色散的硅材料来校正轴 向色差 、彗差、轴外像0 偿 ， 乱0 机 口=· 730 · 应用光学 2013，34(5) 葛婧菁，等 ：机载轻小型中波红外连续变焦系统设计差，第 3片为补偿组，采用高折射率锗材料，第 4、5片为后 固定组 ，第 6、7、8、9片为二次成像 系统 ，整个系统只使用球面，以降低系统加工、检测难度。

图 1(a)～图 1(c)分别给出了系统在短焦、中焦和长焦状态下的结构示意 图，整个 光学系统与探 测器组合满足 23O mm小型球形吊舱要求。

(}1)中焦( )长 焦图 1 光学 系统原理 图Fig．1 Configuration of zoom optical system2．1 系统变焦运动曲线根据光学 系统 连续 变焦过程 中，变倍组和补偿组与前固定组的相对位置关系，拟合出变倍组和补偿组的运动轨迹曲线 ，如图 2所示。其中横坐标代表变倍 组和补偿组距离前 固定组 的距 离 D，图 2 系统变焦运动 曲线Fig．2 Zo m curves of system纵坐标代表系统的焦距。由图2可以看出，在整个变焦过程中，变倍组和补偿组的运动轨迹简单，曲率变化平缓，有利于凸轮曲线的加工。

3 像质评价3．1 调制传递函数调制传递 函数是光学系统 的主要评价手段之一
。 该系统的传递函数如图3所示。图3(a)～3(c)分别为短焦、中焦、长焦的 MTF曲线图。从图 3可以看出，在 16 ip／mm空间频率下 MTF值在各个视TS D【I f’LIMI_r． l 襁·9 ·2 (： ； I
．IJO．90．80．70．6苎0．50．40-3 、 S0．20．1” 《) 3．2 6．4 9．6 12．8 16 19．2 22．4 25．6 28．8 32空间频率，In·mm‘。

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DA TA ．3 70 “m04 l000Ⅱ SIjRFACE：1M AGE P 甜 甜TION ['I『lF-21 ti／(c·)长焦图 3 光学调制传递函数Fig．3 MTF cury~ of system∞ 们 加 ∞ ∞ ∞ 那 0￡ 垛应用光学 2013，34(5) 葛婧菁，等：机载轻小型中波红外连续变焦系统设计 ·731 ·场的数值都大于0．55，接近衍射极限。说明该系统有较高的像质，也有较高的加工、装配裕度。

3．2 场曲、畸变曲线图 4给出了本系统在各种焦距情况下的场曲以及畸变曲线。从图 4中可以看出，短焦、中焦以及长焦的系统畸变都小于 5 ，最大值出现在短焦的情况下，场曲都位于一0．5 mm～+0．5 ITlm之间，满足红外变焦系统的设计要求。

(a)短焦；S_●●●_-_●： -●
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(b)中焦+ Y 1 TSSS + Y＼-● ● ●●●●：一 0150’’ 0．OO’’’ _o．5O 一2 ’’’：。 ’ ’’’ ’’2 场fI1
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? IMA：一4．987 mm一3．948 mm般 ” ， l翳盘 2嚣 m孵函翟．cH浒 v lc0HF1Gu TioN 3 oF 3(( )长焦图 5 点 列图Fig．5 Spot diagram4 结 论本文基于 320×256凝视焦平面阵列探测器 ，设计了一套机载轻小型中波红外连续变焦光学系统，并介绍 了光 瞳衔接 和孔径 压缩 的解 决方 法。

该系统只采用光学成像稳定的硅、锗两种材料，并没有使用非球面。同时该设计满足机载轻小 型的特点，整个光学系统与探测器组合满足 23O mm· 732 · 应用光学 2013，34(5) 葛婧菁，等：机载轻小型中波红外连续变焦系统设计小型球形吊舱要求，总质量仅为 110 g。同时该系统具有像质好、变倍比大、分辨率和热灵敏度高的特点 。系统利用反射镜 的折叠光路满足 了系统结构紧凑、质量轻等技术指标要求。该系统可用于导航、搜索、跟踪、警戒、侦查等方面。

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