中波红外连续变焦光学系统
红外成像技术由于具有众多优势而应用于侦查、制导等军事领域。
连续变焦光学系统是解决大视场搜索小视场分辨的最佳途径。
因此对红外连续变焦光学系统的需求会日益增强。
本文将介绍中波红外连续变焦光学系统的设计方法,并给出设计实例。
设计采用中波红外凝视型焦平面320 μm×240μm像元制冷探测器,探测器像元为30μm×30μm。
系统工作波段为3.7~4.8μm;焦距变化范围20~200 mm;F数为2.5;像高12 mm。
光学补偿型的工作方式是变倍组固定,通过聚焦组与补偿组的移动来实现系统焦距的变化,像面位置在变焦过程中有漂移,如图1所示。
聚焦组与补偿组的移动是同方向等速度的,只需用机械把两镜组连在一起作线形移动即可,因此其机械结构简单、不需要凸轮。
不过镜组必须移动到某些特殊的位置才能得到稳定清晰地像面。
适用于变倍范围和数值孔径较小的系统。
机械补偿型的工作方式是聚焦组固定,变倍组与补偿组按不同的运动规律作较复杂移动以实现变化焦距,像面位置在变焦过程中保持稳定,如图2所示。
机械补偿法可以实现焦距连续变化,但其机械结构复杂、凸轮加工难度大。
不过随着机械加工工艺的提高,机械补偿法的优势越来越明显。
故选择机械补偿式的变焦系统。
共口径双通道红外扫描成像光学系统
该系统包括前端共用的双反射系统、分束镜、准直镜组、扫描镜和成像镜组。
光波经过双反射系统在主镜之后被分束镜分成中波红外通道(3μm~5μm)和长波红外通道(10μm~12μm),经准直镜组及成像镜组会聚探测器上,实现中波红外系统与长波红外系统共口径同步成像。
长波红外光学系统设计
①共用结构两反系统
对于两反系统,主镜相对口径的选择主要和两反系统的相对口径有关。
若两反系统焦距较长,主镜相对口径可以取小一些,即焦距长一些,容易加工。
若两反系统焦距较短,主镜的焦距也就越短,在口径一定的情况下,主镜焦距越短,主镜的相对口径就越大,从缩短镜筒长度来说,当然主镜相对口径越大越有利,但加工难度增加,加工难度同相对口径的立方成正比,所以两反系统的相对口径不能取得太小。
图3 双反射光学系统
考虑到系统结构尺寸应尽量小,在保证主镜焦比合理、焦点伸出量也一定的情况下,遮拦比与次镜的放大率成反比,如果两反系统的F数取值过小,必然导致次镜对主镜的放大率较小,最终导致遮拦比过大,中心遮光损失太大,尤其是对于红外系统,接收的能量本来就很紧张。
综合考虑,取两反系统相对口径为1:4主镜相对口径1:0.9。
②长波红外准直镜组
准直镜组与前面共用的两反系统组成一个望远系统,本系统采用普通的三片式结构可以满足要求。
对于长波红外可选的玻璃材料较为有限,本系统中只采用了一种玻璃——锗。
图4 长波红外准直系统
红外R-C光学系统设计
R-C系统是由两块反射镜组成的共轴双反射镜系统。
它具有如下优点: 1) 利用反射镜折叠光路, 缩小了镜头的体积和减轻了重量; 2) 它完全没有色差; 3) 可以在紫外到红外的很大波长范围内工作; 4) 反射镜的镜面材料比透射镜的材料容易制造, 特别是对大口径零件更是如此。
因此, R-C 系统广泛的应用在大型天文望远系统、航天光学遥感、紫外和红外仪器以及聚光照明等方面。
另一方面, 经典的R-C系统的视场受限于彗差, R-C系统可以消除初级彗差, 而像散却不能消除, 因而, 视场不可能很大。
图5 红外光学系统结构图
R-C 光学系统的初始结构如图5。
这里在R-C 系统后加了一个负一倍透镜组, 它的作用是使系统的出瞳与热像仪的冷屏尽量相重合。
这样做的好处是使背景杂光、镜筒热辐射杂光不能入射到热像仪的靶面上, 避免造成干扰, 提高信噪比。