文章编号:100222082(2009)0621020204高变倍比红外变焦距光学系统设计刘　峰1,徐熙平1,2,孙向阳1,苏　拾1,2,段　洁1,2(1.长春理工大学光电工程学院航天技术研究所,吉林长春130022;2.长春理工大学吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林长春130022)摘　要:采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了工作于8Λm ～12Λm 波段折射式红外连续变焦光学系统,该系统具有大相对孔径,F 数为1.2,变倍比10×,高成像质量等特点。

系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差,在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。

系统在空间频率17lp mm 处,全焦距范围内调制传递函数(M T F )均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径17Λm 的探测器敏感元内,能量集中度大于72%,表明该系统具有良好的成像质量。

关键词:光学设计;Petzval 型物镜;连续变焦;像移补偿;动态光学中图分类号:TN 216 文献标志码:AD esign of h igh zoom ra tio therma l i nfrared zoom optica l systemL I U Feng 1,XU X i 2p ing 1,2,SUN X iang 2yang 1,SU Sh i 1,2,DUAN J ie1,2(1.Institute of A ero space T echno logy ,Co llege of Op toelectronic Engineering ,Changchun U niversity of Science and T echno logy ,Changchun 130022,Ch ina ;2.R esearch Center of Op to 2electricalM easurem ent and Contro l Instrum ent Engineering ,Changchun U niversity of Science and T echno logy ,Changchun 130022,Ch ina )Abstract :A refractive infrared zoom op tical system w o rk ing in (8～12)Λm is designed ,based onlong 2w ave uncoo led ther m al I R focal p lane arrays (160p ixel ×120p ixel )detecto r .T he systemhas characteristics of large relative ap ertu re ,F #=1.2,h igh zoom rati o and h igh i m agingquality .Tw o comm on infrared m aterials of Ge and KC l are u sed in th is op tical system .T he off ax is aberrati on and h igher o rder aberrati on of the system are co rrected by in troducing an aspheric su rface in to the system ,and the zoom rati o is rap idly i m p roved by so lving the com pen sated cu rves at the m iddle 2focu s length .T he m odu lati on tran sfer functi on (M T F )is above 0.55w ith in the w ho le focal range at the spatial frequency of 17lp mm and app roaches the diffracti on li m it .T he energy concen trati on rati o is greater than 72%w ith in the sen sing elem en t of the detecto r w ho se receiving radiu s is 17.5Λm .T he above m en ti oned param eters show that the op tical system has good i m aging quality .Key words :op tical design ;Petzval ob jective ;con tinuou s 2zoom ;i m age sh ifting com pen sati on ;dynam ic op tics引言变焦距光学系统具有焦距在一定范围内变化而像面位置保持稳定,相对孔径基本不变的主要特点,针对此特点所设计的连续变焦镜头可通过在一定范围内连续改变焦距来实现大视场搜索目标,小视场准确观察目标的目的[1]。

红外探测器具有环境适应收稿日期:2009206211;　修回日期:2009207218作者简介:刘峰(1984-),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,主要从事光学设计与红外探测技术研究。

E 2m ail :liufenggjy @第30卷第6期2009年11月 应用光学Journal of A pp lied Op tics V o l .30N o.6N ov .2009性好、隐蔽性好、抗干扰能力强以及能在一定程度上识别伪装目标,且具有设备体积小、重量轻、功耗低等特点,在军事上被广泛应用于红外夜视、红外侦查以及红外制导等方面[2]。

随着红外非制冷探测器技术的成熟,非制冷热像仪在各个领域得到了广泛应用,红外定焦镜头已经不能满足一些特殊要求,所以设计红外变焦镜头具有一定的现实意义[3]。

针对长波用160×120元非制冷焦平面阵列探测器,本文设计了一款10×红外连续变焦光学系统。

该系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,为了实现高性能、高成像质量,系统引入了2个偶次非球面,在中焦时使用平滑换根方法提高了系统变焦倍率。

所设计的高变倍比、高成像质量的长波红外连续变焦光学系统,克服了在以往的红外变焦光学系统存在变倍比高、相对孔径小或者相对孔径大、变倍比小的缺点[4]。

1　光学参数指标的确定采用Sofradir 公司生产的长波红外非制冷型160×120元面阵探测器,敏感元尺寸为35Λm ×35Λm ,设计一种大相对孔径的变焦镜头,主要设计指标如表1所示。

表1　光学系统参数Table 1　Param eters of optical syste m工作波段 Λm 8～12变倍比10×焦距 mm8.9～89像面(对角线) mm7F#1.2视场(°)42.9(sho rt EFL )4.5(long EFL )透过率 %>72%2　光学系统设计2.1　变焦镜头的设计按补偿方法变焦镜头可分为光学补偿和机械补偿2种,其中光学补偿在高变倍比时,像面漂移量较大,而机械补偿的变焦镜头像面位移通过高斯光学计算是可以完全补偿的。

本文设计的红外变焦光学系统使用机械补偿方法,系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成[5]。

在应用单元探测器时,由于红外探测器的接收面积较小,一般红外光学系统的视场不大,轴外像差通常可以少考虑[6]。

本文设计的系统是由Petzal 型物镜改型而成,所以具有较大的相对孔径。

系统采用“+-++”型机械补偿方法,负组元变倍,正组元补偿;变倍组采用高折射率、大色散系数的负透镜组,从而实现消色差系统的设计,同时也有利于控制Petzval 值,校正场曲和像散;后固定组加入不同色散系数的透镜,进一步校正场曲、色差,为了校正各种高级像差和轴外像差,在系统的前固定组和后固定组中各引入一个偶次非球面[7]。

设计的系统总长为188.08mm ,后工作距为7.94mm ,表2给出了系统的最终设计参数,图1为变焦系统在长焦、中焦和短焦的结构图。

表2　系统最终参数Table 2　F i nal param eters of syste m非球面系数:Surface 1,k =-0.040074,Α1=-1.802571E -004,Α2=9.631450E -009,Α3=3.231330E -013,Α4=3.890481E -016;Surface 13,k =0.340271,Α1=2.713627E -003,Α2=3.833290E -006,Α3=3.990392E -009,Α4=7.8656347E -011图1　连续变焦系统图F ig .1　Zoo m syste m s・1201・应用光学2009,30(6) 刘　峰,等:高变倍比红外变焦距光学系统设计 2.2　变焦组与补偿组的运动轨迹关系方程根据动态光学理论,对于一个二组元稳像光学系统,考虑到变焦镜头变倍组和补偿组均为沿光轴的一维运动,同时变焦组为线性运动,可得到变倍组与补偿组的运动关系[8]为A q 22+B q 2+C =0(1)其中A =(f ′2-Βq 1)Β2;B =Β1Β2q 21+[f ′3(1-Β22)Β1-f ′2(1-Β21)Β2]q 1-f ′2f ′3(1-Β22);C =Β22f ′3[Β1q 1-f ′2(1-Β21)]q 1,即q 2=-B ±B 2-4A C2A(2)式中:Β1表示变倍组初始位置的垂轴放大率;Β2表示补偿组初始位置的垂轴放大率;q 1表示变倍组沿光轴位移量;q 2表示补偿组沿光轴位移量;f′2为变倍组的焦距;f ′3为补偿组的焦距。

由(2)式可计算出补偿组的运动轨迹。

应用M A TLAB 语言编程可以求出Β1=Β2=-1时,变焦组与补偿组的运动轨迹曲线,如图2所示。

图2　变倍组与补偿组的变化关系曲线F ig .2　Zoo m set versus co m pen sation set3　设计结果与分析3.1　传递函数分析图3给出了变焦系统在长焦、中焦和短焦时的传递函数(M T F )曲线。

3种曲线表明该系统的调制传递函数在17lp mm 处均在0.55以上,探测器图3　光学系统传递函数曲线F ig .3　Curves of M TF for syste m的像敏单元尺寸为35Λm ×35Λm ,其极限分辨率为14lp mm ,说明设计的镜头分辨率大于探测器的极限分辨率,因此,该系统在全焦距范围内有良好的成像质量。