高变倍比中波制冷型连续变焦光学系统设计

韩 星，芮 涛，于双双，张 振，张晨钟

(天津津航技术物理研究所，天津 300308)

引言

红外系统具有识别伪装能力强、被动成像等优点，成为机载吊舱不可或缺的光电侦查设备[1]。随着机械加工技术、红外探测器的快速发展，变焦光学系统已广泛应用于红外热像仪、航空吊舱、无人机遥感等系统中。红外连续变焦系统能够在大视场范围内跟踪和搜索目标，在小视场范围内捕获和观察目标，而且在视场转换过程中能够保持图像的连续性，能较好地兼顾系统对目标的捕获、跟踪、监视与标定[2]，随着光学冷加工、精密机械加工、镀膜技术等工艺水平的不断进步以及现代科技的发展要求，红外变焦镜头向高变焦比方向发展，同时还须保持良好的成像和消热差性能[3]。

近年来多家研究机构开展了红外连续变焦光学系统的研究，华中光电技术研究所设计了焦距13 mm～460 mm，变倍比35倍的中波连续变焦光学系统，设计MTF@32 lp/mm大于0.1[1]；西安工业大学实现了50 mm～600 mm的中波红外变焦光学系统设计，设计过程中对常温下光学系统冷反射开展了控制[4]；昆明物理研究所研制了焦距为25 mm～750 mm的中波红外系统，实现方式上采用了三组元变焦方式，变倍形式复杂、控制难度大、结构体积大[5]。以上多家单位的研究多集中在常温情况下红外连续变焦光学系统上，在温度改变时，通过查表法调整系统某片透镜实现清晰成像，该种方法数据量大，使用过程中需要实时调整，不利于机载吊舱稳定工作。针对该问题，采用中波640×512(像素尺寸15 μm)制冷型焦平面阵列探测器，设计了一款高变倍比连续变焦光学系统。系统焦距范围覆盖30 mm～500 mm，工作温度范围覆盖-40℃～+60℃，变焦过程中F数恒定为4，系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对全焦距、全温度带系统冷反射进行了详细分析，对凸轮曲线进行优化设计，系统在全温度带具有较好的成像质量和较高的工程实用性。

1 系统设计指标及变焦补偿方式

本实例采用中波640×512、15 μm×15 μm制冷型焦平面阵列探测器，系统设计指标如表1所示。

表1 系统设计指标Table 1 System design indices

变焦距系统的变焦补偿方式主要可分为机械补偿法和光学补偿法。其中，光学补偿法只能在某些点做到像面稳定，在全变焦范围内的像面是有一定漂移的[6-8]；机械补偿法中各透镜组分担职责比较明显，整体结构也比较简单。随着机械加工技术的发展，机械补偿系统中凸轮曲线的加工已不象过去那么困难，加工精度也越来越高，所以，目前此种类型变焦距物镜得到了广泛的应用。机械补偿法的具体实现型式具有多种方式，变倍组一般是负透镜组，而补偿组可以是正透镜组也可以是负透镜组，前者称为正组补偿，后者称为负组补偿[9]，如图1所示。

图1 机械补偿法的两种补偿方式Fig.1 Two mechanical compensation methods

以上两种形式中，正补偿组更有利于缩减系统总长、实现高变倍比[10-11]，因此本设计采用正组补偿的机械补偿法，实现高变倍比的连续变焦系统设计。

2 光学系统设计结果及分析

2.1 设计结果

按照前边的设计指标及选择的变焦补偿方式，首先对连续变焦光学系统的高斯光学进行计算，然后依据初始解建议取值，采用经典变焦高斯光学计算的透镜组理想焦距及间隔[6]，对系统进行初始建模。采用的公式如下：

(1)

(2)

dq2=f′3dM3

(3)

式中：f′2为变倍组焦距；f′3为补偿组焦距；q1和q2为变倍组与补偿组的相对移动量；M2和M3分别为变倍组和补偿组的倍率。

最终经等比放大、优化设计后，得到的光学系统原理如图2所示。其中图2(a)、2(b)、2(c)分别为系统短焦(f=30 mm)、中焦(f=180 mm)、长焦(f=500 mm)的结构示意图。系统变焦过程中F#恒定为4，且变焦全过程具有100%冷光阑效率。为了进一步缩短体积、有利空间布局，系统利用了3片反射镜实现空间立体布局，如图3所示，折叠后系统体积为300 mm×115 mm×105 mm。

图2 不同焦距情况下的光学系统示意图Fig.2 Schematic diagram of optical system with different focal lengths

图3 光学系统空间立体布局图Fig.3 Spatial tridimensional distribution diagram of optical system

2.2 像质评价

光学传递函数能够整体衡量光学系统成像质量，是光学系统的主要评价指标，图4(a)～4(c)分别给出了光学系统在短焦、中焦、长焦情况下在25 lp/mm处的光学系统传递函数；图5(a)～5(c)分别给出了光学系统在短焦、中焦、长焦情况下在33 lp/mm处光学系统传递函数。

图4(a)～4(c)及图5(a)～5(c)表明光学系统0.8视场内在25 lp/mm处的MTF大于0.4，在33 lp/mm处MTF大于0.25，设计的系统成像性能满足使用需求。

图4 光学系统不同焦距下在25 lp/mm处的MTF曲线Fig.4 MTF curve of different focal lengths at 25 lp/mm

图5 光学系统不同焦距下在33 lp/mm处的MTF曲线Fig.5 MTF curve of different focal lengths at 33 lp/mm

为了考察系统工程可实现性以及实际系统成像性能能否满足使用需求，对系统开展公差分析，系统在公差作用下短焦及长焦在33 lp/mm处的MTF如图6所示。

由图6可知，公差作用下，光学系统MTF@33 lp/mm处大于0.13，满足使用需求。

图6 光学系统公差作用下在33 lp/mm处的MTF曲线Fig.6 MTF curve of optical system with tolerance at 33 lp/mm

2.3 温度适应性分析

空间立体布局的连续变焦光学系统一般应用于机载吊舱平台，平台采用气密抵御压力带来的变化，考虑其装校测试环境，系统工作温度范围应覆盖-40℃～+60℃。本实例采用在一定被动无热化带宽基础上，进行主动无热化设计，实现-40℃～+60℃的全温度带、全焦距范围下的温度补偿。在短焦及长焦时的补偿结果如表2所示。

表2 光学系统不同温度下长短焦的MTF曲线Table 2 MTF curve of long focal length at different temperatures in optical system

系统采用最后一片透镜的微动实现-40℃～+60℃的全温度带、全焦距范围下的温度补偿，其移动范围为1 mm。通过该片透镜的微动，实现光学系统在不同温度下各个焦距时成像质量相似，扩展了系统工作温度带，使系统更具工程实用性。

2.4 冷反射分析

对于连续变焦光学系统，除了常规的计算单焦距点，不同温度下的冷反射状况，还需要提供相同温度不同焦距下的系统冷反射变化趋势。本实例基于减反射膜的剩余反射比按0.5%，成像器的NETD 50 mK的基础上，对光学系统进行冷反射分析。表3为全视场诱导温度变化，表4为20%视场区域内诱导温度变化最大值，图7给出了相同温度，不同焦距下的系统冷反射变化趋势。

表3 全视场诱导温度变化(NETD)Table 3 Full FOV induced temperature variation

表4 20%视场区域内诱导温度变化(NETD)最大值Table 4 Maximum variation of induced temperature of per 20% FOV

图7 光学系统相同温度、不同焦距下冷反射变化曲线Fig.7 Cold reflection variation curve at same temperature and different focal lengths

由表3和表4及图7可以看出，光学系统冷反射总体控制较好，但在短焦、高温时冷反射还是较严重，需要进行非均匀校正。

2.5 凸轮曲线设计

变焦距系统在实际使用过程中，是通过凸轮曲线来实现改变焦距的功能，因此变焦距系统设计还涉及到凸轮曲线设计。本实例的凸轮曲线设计更多的是考虑工程实现问题，主要目的在于减少拐点、优化凸轮升角，都是为了便于机械实现的目的。经反复优化后，本实例凸轮曲线如图7所示。

图8 光学系统凸轮曲线Fig.8 Cam curve of optical system

由图8可以看出，光学系统在-1×点实现了平滑换根，凸轮曲线无拐点，具有很强的工程实现性。

3 结论

采用机械补偿法变焦型式，设计了一款立体布局的16.67×中波制冷型连续变焦光学系统，该系统焦距范围覆盖30 mm～500 mm，工作温度范围覆盖-40℃～+60℃，变焦过程中F数恒定为4，系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点，特别适用于机载、车载等光电侦查领域。