大相对孔径中波红外变焦系统的小型化设计

付 薇，潘国庆，尹 娜，孙金霞

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009）

引言

在红外探测领域，大相对孔径光学系统在应用中具有明显的优点。在同等焦距下增大通光口径，可有效提高系统探测距离；而在同等口径下，大相对孔径系统具有更长的焦距，可提高系统分辨能力。此外，根据红外变焦光学系统近年来的应用需求，为解决系统体积、质量方面的限制，小型、轻量化设计是一个重要的发展方向。因此，针对采用较小F数的制冷探测器，设计一种轻小型、大相对孔径的光学系统，在红外变焦光学系统设计领域将具有较高的应用价值。

在红外变焦系统设计中，采用光学补偿方式的变焦系统较之机械补偿方式结构简单，因此更易实现小型、轻量化的目的。根据Arthur Cox等人在美国专利7092150B1中的报道，设计了F数为4的光学补偿中波红外变焦系统，变倍比为4×，焦距变化范围为50mm～200mm，使用了12片透镜［1］。文献［3］中设计了F数为2的光学补偿变焦系统，变倍比为5×，采用了10片透镜。通过这些文献可知，由于光学补偿变焦方式相对于机械补偿方式而言，像差补偿自由度较少，需采用较多的镜片数量才能完成像差校正。而对采用较小F数制冷探测器的系统而言，大相对孔径本身带来的像差校正难度就很大，因此采用光学补偿方式设计大相对孔径制冷型变焦系统，并实现小型、轻量化设计将是一项挑战。

1 设计原理及参数

1.1 设计原理

本文设计要求采用F数为1.8的制冷型中波红外焦平面探测器，实现100%冷光阑匹配，整机长度小于220mm，在满足其他指标的前提下质量尽可能小，其他设计要求见表1所示。

表1 光学设计指标Table 1 Parameters of optical design

首先选择确定系统初始结构。由于采用制冷型探测器，为压缩系统前端口径，采用二次成像光路，变焦组件位于一次成像光路中。

其次，结合应用需求确定变焦方式。根据设计原理，变焦系统分为机械补偿和光学补偿两种方式。机械补偿式系统，变焦组和补偿组的相对位置为非线性变化，镜筒需采用变焦凸轮驱动，对机械、电控精度要求较高；而光学补偿式系统中变焦组和补偿组沿光轴等速同向运动，只需一组运动机构，因此简化了机械结构，可有效减轻系统体积质量。

为实现轻量化设计目标，本文采用光学补偿变焦方式，原理简图如图1所示。系统从前至后依次为前固定组、移动组、中间固定组和后固定组。其中移动组由两片固连在一起的透镜组成，分别位于中间固定组的前后，沿光轴等速同向运动，达到变倍与补偿的目的。

图1 光学补偿变焦系统原理图Fig.1 Principle of optically compensated zoom lenses

系统光阑设置在探测器冷屏处，在变焦过程中保持系统的相对孔径不变，实现100%冷光阑匹配。

根据光学补偿变焦系统像差理论进行系统光焦度分配：

式中：m为变倍比；Φmax为系统最大光焦度为归一化光焦度；Zmax为系统允许的最大移动量为归一化间隔。根据近轴光线追迹公式，计算出大视场初始光焦度及间隔。

根据光学补偿变焦理论，像差完全补偿点数等于可变空气间隔的数目，故本系统像差完全补偿点数为4个，为四视场连续变焦光学系统。

根据计算结果在CODE V软件中建立光学系统模型，并对像差进行优化。在设计中，对固定镜组和变倍组的像差系数进行合理分配，确保在第2和第4透镜运动过程中一次像像面位置稳定，使得全系统像差得到较好的均衡和校正。

此外对透镜材料进行合理搭配，红外中波材料不如可见光波段丰富，对几种常见的中波红外材料如硅、锗和硒化锌进行组合，通过不同折射率和色散系数的平衡，在一定程度上降低色差。

由于大相对口径系统轴外像差较大，而光学补偿方式像差补偿自由度小，对像差校正造成较大难度。引入非球面和衍射面，明显降低了系统球差及色差，且减少了镜片数量。相对于文献［3］，本文变焦组和补偿组均简化为单透镜，使得系统镜片总数由10片减少至8片。变焦组和补偿组镜片采用非球面和衍射面复合设计，可一次加工成型，非球面最高次为6次，衍射面最小环带0.5mm，大于单点金刚石车刀刀头尺寸，可加工性良好。衍射面与非球面复合面型见图2所示。

图2 衍射面与非球面复合面面型Fig.2 Compound diffractive and aspheric surface

1.2 设计参数

系统采用四档变焦，4个等效焦距下对应的视场见表2所示。

表2 4个焦距下对应的视场Table 2 4 FOVs corresponding to 4 effective focal lengths

2 设计结果及分析

2.1 设计结果

设计完成的变焦系统如图3所示，图中1为前固定组，2、4固连在一起构成变倍组，3为中固定组、5、6为后固定组，7、8为二次成像镜组，其中2和4沿光轴等速同向运动，其他组元保持不动，实现四视场变焦。图中A为长焦（150mm），B为中焦Ⅰ（90mm），C为中焦Ⅱ（60mm），D为短焦（30mm）。引入2个平面反射镜折叠光路，折叠后系统体积约为210mm×100mm×85mm。从长焦至短焦变焦过程中变倍组行程75mm，变焦倍率5:3:2:1。

图3 光学补偿四视场变焦系统图Fig.3 Layout of 4 FOVs optically compensated zoom system

为补偿光学系统处于不同环境温度时的像面位置漂移，采用主动式消热差设计，通过对二次成像镜组中单透镜的轴向微调，实现-40℃～＋60℃环境下消热差设计。

2.2 像质评价

系统4个视场下的调制传递函数MTF见图4～图7，根据探测器像元计算可知，系统分辨率为16lp／mm，长焦和中焦Ⅰ时各视场MTF接近衍射极限，中焦Ⅱ和短焦时中心视场MTF接近衍射极限，边缘视场在16lp／mm处大于0.65。点列图见图8所示，各视场均方根弥散斑直径基本在一个像素（30μm）内。

图4 长焦f＝150mm时MTFFig.4 MTF curve of NFOV

图5 中焦Ⅰf＝90mm时MTFFig.5 MTF curve of MFOVⅠ

图6 中焦Ⅱf＝60mm时MTFFig.6 MTF curve of MFOVⅡ

图7 短焦f＝30mm MTFFig.7 MTF curve of WFOV

图8 各视场点列图Fig.8 Spot diagram of 4 FOVs

2.3 冷反射分析

冷反射是采用制冷型探测器的红外光学系统需要避免的现象。为防止从系统某个透镜表面的反射中看到探测器冷屏，需要注意2个特征量YNI和I／IBAR，其中Y是边缘光线在该面的透射高度，N是折射率，I是边缘光线的入射角，IBAR是主光线的入射角。当YNI很小且I／IBAR＜1时，该面是可能会产生冷反射的可疑面。而根据经验，系统在短焦时冷反射最强，表3列出了系统在短焦时的冷反射数据。

表3 冷反射分析Table 3 Analysis of cold reflection

由表3可知，系统第9和第13面为冷反射可疑面。对这两面分别进行反向光线追迹，观察光线被这2个表面反射后的会聚情况。由图9（a）和9（b）可知，光线均在探测器前方会聚，不会成像到探测器上，避免了产生冷反射的可能。

图9 冷反射光线追迹图Fig.9 Schematic of cold reflection ray tracing

3 结论

本文设计了一个采用F数为1.8的制冷焦平面探测器的中波红外变焦系统，实现了四视场变焦设计。通过非球面与衍射面复合设计，解决了大相对孔径像差校正困难、光学补偿方式像差补偿自由度小的问题。全系统仅含8片透镜，非球面最高次项为6次，衍射面最小环带0.5mm，与非球面复合设计在同一镜面上，可一次加工成型，降低了加工制造成本。系统具有相对孔径大、体积小、质量轻、变焦机械简单的优点，且较之以往同类型光学系统具有更少的光学镜片数，从而有力地减少了光能损失，提高了光能透过率，具有良好的应用价值和应用前景。

［1］ Arthur Cox.Optically compensated infrared zoom lens having a single movable lens carriage and no aspheric lenses，US：7，092，150B1［P］.2006-05-01.

［2］ Chen Lyuji，Li Ping.Optically compensated MWIR zoom system［J］.Infrared Technology，2010，32（11）：645-648.陈吕吉，李萍.光学补偿中波红外变焦光学系统设计［J］.红外技术，2010，32（11）：645-648.

［3］ Tao Liang，Zhao Jinsong. Optically compensated LWIR zoom objective with magnification of 5×［J］.Infrared Technology，2008，30（4）：210-213.陶亮，赵劲松.5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统［J］.红外技术，2008，30（4）：210-213.

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