光学补偿式长波红外变焦系统设计.pdf

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1、第33卷第3期2011年6月光学仪器oPTICALINSTRUMENTSV01．33，N0．3June，2011文章编号：1005—5630(2011)03一0053一04光学补偿式长波红外变焦系统设计*蓝宁(华中光电技术研究所武汉光电国家实验室，湖北武汉430073)摘要：红外连续变焦光学系统是红外热像仪的重要组成部分。介绍了一个变倍比为5×的长波连续变焦光学系统，该系统采用光学补偿的变焦方式，光学系统的F数为2、冷屏效率loo％。对5个视场严格校正了像差，各个视场的MTF曲线均接近衍射极限。采用二次成像方式，使光学系统

2、的通光孔径被约束在西128mm以内。该光学系统在整个变焦过程中具有较好的成像质量。关键词：连续变焦；光学系统；视场(FOV)；像差；通光孔径中图分类号：O435文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn1005—5630．2011．03．0UOpticaldesignofoptica¨ycompensatedlongwaVelengthinfraredz嗍systemLANN锄g(WuhanNationalLaboratoryfor()ptoelectronics，HuazhongInstituteofElectr

3、“)ptics，Wuhan430073，CIlim)Abst髓ct：Infraredcontinuouszoomopticalsystemisoneoftheimportantpartoftheinfraredthemalimager．Alongwavelengthzoomopticalsystemwithmagnificationof5×isdesigned．Thesystemadoptsopticanycompensatedzoommode，andtheFnumberis2，thecoldstopefficiencyi

4、sequalto100％．TheaberrationsoffiveFOVsarewellcorrected，andtheMTFcurvesofeachFOVareclosedtothediffractionlimited．Byre-imaging，thediameteroftheaperturesisconstrainedwithin128mm．ThissystemhasgoodimagingqualityduringthewholeZOOnl．Keywords：continuouszoom；opticalsystem；f

5、ieldofview(FoV)；aberration；aperture引言红外热像仪由于需要对目标进行跟踪、探测和识别，因此，大部分需要用两个视场或多个视场的红外光学系统。而连续变焦光学系统能够在图像变化过程中保持图像的连续性，对搜索和跟踪运动目标是非常有利的，因此在军事上有较强的需求。红外连续变焦光学系统一般采用机械补偿式连续变焦方式[1{]，机械补偿方式是一组透镜变倍，一组透镜补偿，其变焦曲线是非线性的。目前国内对光学补偿方式的研究较少L4’5]，国外做过4×、5×和9×的光学补偿式连续变焦系统[6’7]。相对于机械补

6、偿方式，光学补偿方式连续变焦系统的光学设计难度大，变倍比难以设计很大，但是这种结构简化了机械构造，有利于对视轴及其校准能良好的控制，而且少了一。收稿日期：20ll-03—21作者简介：蓝宁(1974一)，女，山东青岛人，工程师。学士，主要从事光电技术方面的研究。·54光学仪器第33卷组机电控制系统，进而减小了整机系统的外形、成本和重量。现设计了焦距加o～250F2的5×光学补偿连续变焦光学系统，系统冷屏效率100％，对5个视场严格校正了像差，设计的光学系统在整个变焦过程中具有较好的成像质量。1机械补偿和光学补偿方式比较机械

7、补偿方式，分为两组元、三组元、多组元联动变倍等多种形式，其共同特点是变焦透镜组移动行程与补偿透镜组移动行程相比是非线性的，同时方向也有可能相反或相同。而光学补偿连续变焦系统是通过以相同的速度移动两个透镜组来实现视场连续变换。在变焦过程中，变焦组的1和2组元由镜框固联一起，沿光轴做等速运动，其他组元不动。图1所示是常用机械补偿变焦凸轮曲线示意图，图2是光学补偿变焦凸轮曲线示意图。l、褪酬需簿图1机械补偿变焦凸轮曲线图Fi昏1Curvesofmechanicallycompensatedz∞mcarIl光学补偿连续变焦系统一般

8、由3个基本组元构成，分别是前固定组、变倍组(包括中间固定组和前后的变焦透镜)、后固定组。有的二次成像系统还有中继透镜组。中继组的功能是约束前固定组的有效孔径和利用中间实像面来消除杂散光。图3所示是光学补偿连续变焦光学系统原理图。2光学补偿连续变焦系统设计实例根据目前项目中常用视场选择情况，确定系统变倍比