长波红外两档5倍变焦光学系统设计

    引言

    由于红外光学系统具有隐蔽性好、环境适应性好等诸多优点，所以它广泛应用于军事领域和民用工程，变焦系统能够通过改变系统焦距来改变成像的大小，所以红外变焦光学系统具有上述两种良好特性而应用广泛。红外变焦光学系统按照变焦过程中焦距是否连续变化分为连续变焦光学系统和非连续变焦光学系统^[1]，对于非连续变焦系统，常用的有两档变焦和三档变焦。由于红外连续变焦系统透镜片数过多，会导致系统透射比下降，且系统质量较大，在材料选择、冷屏匹配等方面都有较大的困难，因此，在某些特殊情况下，常使用两档变焦系统来代替连续变焦光学系统。

    红外两档变焦系统分为两类^[2,3]：一类是轴向移动式变焦系统，通过透镜组轴向间隔的变化而改变光学系统的焦距，其缺点是透射率较低；一类是切入式变焦系统，这类光学系统的特点是在窄视场中没有运动元件，其光学系统稳定性好，系统切换时间短，透射率高，宽视场时通过切入一些透镜来实现大视场。目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。

    本文针对长波 320×240 非制冷焦平面阵列探测器，设计了红外两档变焦光学系统，采用切入式变焦方式。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11 lp/mm 处，宽视场和窄视场都具有较好的成像质量。系统短焦距时有较大的视场，分辨率较低，可用于索目标，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。

    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 45μm×45μm，红外两档变焦光学系统设计指标如表 1 所示。

    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 160mm，全视场角为 6.44°；短焦距宽视场时焦距为 32mm，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。