8～12μm波段折/衍混合红外连续变焦光学系统

    引言

    变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化、而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径也基本不变并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统^[1]。变焦距光学系统根据补偿方式分为机械式补偿和光学式补偿两种。机械式补偿就是指各运动组分按不同的运动规律作较复杂的移动，达到防止像面移动的目的。光学式补偿是指在变焦过程中用几组透镜作变倍和补偿时，各透镜组的移动同向等速。本文设计的红外连续变焦光学系统采用机械式补偿方式对像面漂移进行补偿。连续变焦光学系统与间断变焦光学系统相比，在一定范围内可以连续改变焦距从而得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同景物范围，因其使用方便在民用和军用方面得到了越来越广泛的应用^[2]。

    1 衍射元件消色差理论

    衍射元件与传统的折射元件不同，其等效阿贝数V_λ1,λ2 与所用基底材料无关，而只与所使用的波段有关，即:

式中：λ₂为所用波段的中心波长；λ₁和λ₃是波段两端波长，通常有λ₁＜λ₂＜λ₃在长波红外波段，衍射元件的阿贝数为V_λ1,λ2 ＝－2.5。衍射光学元件这种具有大的负向色散特性，对于变焦光学系统消色差很有好处，而且衍射光学元件是直接制作在折射透镜上的浮雕结构，可有效地简化系统结构^[3,4]。从消色差角度看，衍射元件的引入为光学设计增添了一种特殊的像差优化参量^[5,6]。通常，衍射元件是对第一衍射级进行设计的，标量理论认为，对于第一衍射级的衍射效率:

    2 红外变焦系统设计

    2.1 设计参数

    该系统采用长波 160×120 元非制冷焦平面阵列探测器，探测器像元尺寸 35μm×35μm，红外连续变焦光学系统设计指标如表 1 所示。

    系统的设计过程分为求取高斯解与像差设计两个阶段。求取高斯解是根据系统要求的焦距范围、相对孔径、像面大小和外形尺寸确定系统中每个透镜的焦距，透镜间隔和变焦透镜组的移动范围^[7]。像差设计过程中的难点是要校正变焦系统各焦距位置的像差。设计过程中通过合理的使用衍射面和非球面，能有效地校正色差、平衡像差^[8]。

    2.2 设计结果

    最终的系统设计结果如图1所示，(a)、(b).(c)分别为短焦（25mm）、中焦（60mm）和长焦（100mm）3 种情况下的外形结构示意图。变焦系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成，它们对系统光焦度的贡献分别为正、负、负、正。系统总长 248 mm，后工作距为 15mm，当系统由短焦向长焦变化时，变倍组和补偿组先是互相分离，然后靠拢，最后一起向右移动。