长波红外两档5倍变焦光学系统设计

长波红外两档5倍变焦光学系统设计

白 瑜1,2，杨建峰1，马小龙1，阮 萍1 ，田海霞1,2

(1.中国科学院西安光学精密机械研究所 空间光学研究室，陕西 西安 710119；

2.中国科学院研究生院，北京 100039）

摘要：与连续变焦光学系统相比，两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点。针

对320×240非制冷焦平面阵列探测器，设计了一个长波红外两档变焦光学系统，系统采用切入式变焦方式，在短焦时切入两片透镜实现宽视场，宽视场时全视场角为31.4°，可用于跟踪和搜索目标；窄视场时全视场角为6.44°，可用于捕获和观察目标。通过引入二元面和非球面，大大提高了成像质量，在空间频率11 lp/mm处，宽视场和窄视场都具有较好的成像质量。 关键词：光学设计；红外光学系统；两档变焦；非球面

中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：1001-81(2008)08-0439-03

Design of Long-wave Infrared Switch-Zoom Optical

System with Five Zoom Ratio

BAI Yu1,2，YANG Jian-feng1，MA Xiao-long1，RUAN Ping1，TIAN Hai-xia1,2

(1.Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics Chinese Academy of Science, Xi’an Shaanxi 710119, China;

2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

Abstract：Compared with the continuous zoom optical system, infrared switch-zoom system had many advantages, such as simple structure, easy fixing, high transmission and so on. For 320×240 uncooled focal plane array, an infrared long wave switch-zoom system was presented. The manner of zoom was accomplished by inserting two lenses into the layout of narrow field of view. In the wide angle mode, the field of view was 31.4° which was used for searching and tracking targets. In the narrow angle mode, the field of view was 6.44°, the narrow field of view was used for capturing and observing targets. The binary surface and aspheric surface were used to improve the image quality. Both the wide-FOV and narrow-FOV had high image quality at spatial frequency of 11 lp/mm.

Key words：optical design；infrared optical system；switch-zoom；aspheric surface

特殊情况下，常使用两档变焦系统来代替连续变焦光

引言

学系统。

红外两档变焦系统分为两类[2,3]：由于红外光学系统具有隐蔽性好、环境适应性好一类是轴向移动

等诸多优点，所以它广泛应用于军事领域和民用工式变焦系统，通过透镜组轴向间隔的变化而改变光学程，变焦系统能够通过改变系统焦距来改变成像的大系统的焦距，其缺点是透射率较低；一类是切入式变小，所以红外变焦光学系统具有上述两种良好特性而焦系统，这类光学系统的特点是在窄视场中没有运动应用广泛。红外变焦光学系统按照变焦过程中焦距是元件，其光学系统稳定性好，系统切换时间短，透射否连续变化分为连续变焦光学系统和非连续变焦光率高，宽视场时通过切入一些透镜来实现大视场。目学系统[1]，对于非连续变焦系统，常用的有两档变焦前国内文献对红外两档切入式变焦光学系统设计的

相关报道还很少。 和三档变焦。由于红外连续变焦系统透镜片数过多，

本文针对长波320×240非制冷焦平面阵列探测会导致系统透射比下降，且系统质量较大，在材料选

器，设计了红外两档变焦光学系统，采用切入式变焦择、冷屏匹配等方面都有较大的困难，因此，在某些

收稿日期：2008-6-29；修订日期：2008-7-20 作者简介：白瑜（1982－），男，山西原平人，硕士研究生，主要从事光学设计，红外光学与二元光学的研究与设计工作。

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第30卷 第8 期 红 外 技 术 Vol.30 No.8 2008年8月 Infrared Technology Aug. 2008

方式。该系统变焦过程中相对孔径保持不变，F/＃为1，变焦比为5:1，短焦距宽视场时全视场角为31.4°，长焦距窄视场时全视场角为6.44°，系统在空间频率

宽视场和窄视场都具有较好的成像质量。11 lp/mm处，

系统短焦距时有较大的视场，分辨率较低，可用于搜索目标，长焦距时视场小但分辨率较高，可用于捕获和观察目标，因此该系统在军事领域和民用工程有广阔的应用前景。

A3等为非球面相位系数，用于校正系统的高级像差，利用ZEMAX光学设计软件对系统进行消色差优化，优化后长焦距窄视场成像质量较好，但短焦距宽视场成像质量很不理想。

第三步，由于系统结构简单，优化时可选择的变量较少，为了改善短焦距宽视场时的成像质量，引入偶次非球面，其表达式[4]如下式所示： z=

cr2

1+1−(1+k)c2r2

+α1r2+α2r4+α3r6+\" (2)

1 系统设计

该变焦系统采用长波320×240非制冷焦平面阵列探测器，探测器像元尺寸为45 µm×45 µm，红外两档变焦光学系统设计指标如表1所示。

表1 光学设计参数 Table 1 Optical design parameters

Wavelength range 8～12 µm Zoom ratio 5×

field of view 25.12°×18.84° (WFOV) 5.152°×3.8° (NFOV) F–number 1.0 Image size(diagonal) 18 mm

为了实现大视场，红外两档变焦光学系统在短焦距时通过切入一些透镜来增大视场，在长波红外波段，考虑到材料的吸收和成本，为减小成本，简化系统结构，通过引入非球面和二元面，有效地校正了系统像差。两档变焦光学系统主要设计步骤为：

第一步，确定两档变焦系统的初始结构。为了使得系统结构简单，长焦距窄视场时选用三片式结构，其中第一片和第三片为光焦度为正的锗透镜，中间一片为负透镜，材料为硒化锌。由于短焦距相比长焦距的视场变化很大，所以在长焦距窄视场结构的第一片和第二片之间切入一负透镜，第二片和第三片之间切入一正透镜来实现大视场。长焦距窄视场时要求焦距为160 mm，全视场角为6.44°；短焦距宽视场时焦距为32 mm，全视场角为31.4°。根据以上各项参数要求，确定系统的初始结构，此时系统成像质量很差。

第二步，为了消除系统的色差，在系统中引入二元面（即ZEMAX-EE光学设计软件的Binary2面形），二元元件是直接制作在折射透镜上的浮雕结构，可简化系统结构，减轻重量。ZEMAX-EE光学设计软件的旋转对称二元面的相位分布函数为：

Ψ(r)＝A1r2＋A2r4＋A3r6＋… (1)

式中：r为归一化半径坐标；A1为二次相位系数，决定二元面的傍轴光焦度，实现光学系统的消色差。A2、440

式中：c为曲率；k为圆锥系数；r为归一化半径坐标；

α1、α2、α3等为非球面系数，为了减小成本易于加工，只选取式(2)中的r2、r4、r6项，保持短焦距宽视场时第1、3片和第3、5片之间的距离不变，以切入两片透镜的曲率半径、厚度和偶次非球面的系数α1、α2、α3和曲率c为变量对系统进行优化，优化后系统轴外像差较大，短焦距宽视场时的调制传递函数和系统的衍射极限相差较大。

第四步，在系统中引入另一个偶次非球面，进一步对短焦距宽视场结构进行优化校正像差，根据系统要求，以切入两片透镜的曲率半径和两个偶次非球面的非球面系数α1、α2、α3和曲率c为变量，通过相互配合反复优化，优化后短焦距宽视场结构成像质量良好。

(a)Narrow-FOV layout

(b)Wide-FOV layout

图1 两档变焦光学系统的外形结构图

Fig.1 Schematic of switch-zoom optical system structure

第30卷 第8期 Vol.30 No.8 2008年8月 白 瑜等：长波红外两档5倍变焦光学系统设计 Aug. 2008

最终优化得到的红外两档变焦光学系统的外形结构示意图如图1，其中(a)为长焦距窄视场的外形结构图，(b)为短焦距宽视场的外形结构图。系统长焦距窄视场结构由三片式透镜组成，在短焦距宽视场时通过切入两片透镜增大视场，系统总长212.51 mm，后工作距为14.55 mm，通过引入二元面和非球面，大大提高了成像质量。

2.2 点列图

两档变焦光学系统的点列图如图3所示，其中(a)为长焦距窄视场时的点列图，(b)为短焦距宽视场时的点列图。由图可知，长焦距窄视场和短焦距宽视场的最大均方根弥散斑半径分别为16. µm、29.72 µm，均小于探测器像元尺寸45 µm，满足系统成像要求。

2 像质评价

2.1 调制传递函数

调制传递函数是光学系统的主要评价手段，两档变焦光学系统的调制传递函数曲线如图2，具体传递函数值（11 lp/mm）见表2。由图2和表2可知，系统在长焦距和短焦距两个位置都取得了较好的成像质量，其中长焦距各个视场的MTF值都接近衍射极限。

(a)Narrow-FOV

(a) Narrow-FOV

(b)Wide-FOV

图3 系统的点列图 Fig.3 The spot diagram of the system

3 结论

本文介绍了一个长波红外两档变焦光学系统，系统变焦比为5:1，宽视场时全视场角为31.4°，对于远红外变焦光学系统已属于很大的视场，窄视场时全视场角为6.44°，用于对具体目标进行观察，二元面和非球面的使用，大大提高了系统的成像质量，在空间频率11 lp/mm处，宽视场和窄视场都取得了较好的成像质量。该系统结构简单、视场较大、成像质量较好，在军事领域和民用工程将有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 李刚, 张恒金. 红外两档变倍光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2006,

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[2] 任德清, B.J.Rauscher. 红外双视场透镜系统的光学设计[J]. 红外技术,

1998, 20(3): 19-22.

[3] 韩莹, 王肇圻, 吴环宝, 等. 紧凑型8～12 µm波段折/衍混合双位置两

档变焦光学系统[J]. 光子学报, 2007, 36(5): 886-8.

[4] 潘君骅. 光学非球面的设计、加工与检验[M]. 苏州: 苏州大学出版社,

2004: 1-6.

(b)Wide-FOV

图2 系统的调制传递函数曲线 Fig.2 MTF curves of the system 表2 传递函数值（11 lp/mm） Table 2 Values of MTF（11 lp/mm） 焦距 视场 MTF

0（tan）

短焦

0.7（tan） 1（tan） 0（tan）

长焦

0.7（tan） 1（tan）

0.7395 0.7034 0.6395 0.8253 0.8199 0.8091

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