紧凑型8~12μm波段折/衍混合双位置两档变焦光学系统设计

　　0　引言

　　变焦距光学系统是指焦距可连续变化而像面位置保持稳定的光学系统,一般情况下,改变焦距的过程中系统的相对孔径是不变的[1].变焦过程中,为达到像面稳定的要求,必须采取措施补偿像面的位移,这就导致连续变焦系统的结构往往很复杂.对于红外变焦系统而言,系统透镜片数过多,会导致透射比下降.因而,在某些特殊应用下,常使用结构简单的双视场两档变焦系统代替连续变焦系统[2].红外双视场变焦系统常被用于军事目标跟踪成像系统,目前也被广泛应用于美军的红外前视系统[2].红外双视场变焦系统中的大视场分辨率较低,用于在大范围内搜索目标,而视场越大对于扫描目标越为有利.小视场分辨率较高,用于对具体目标进行识别、分析和确认[3].

　　双视场变焦系统分为切入式变焦系统和双位置变焦系统两类.切入式变焦系统需要将部分透镜插入到适当的位置,才能完成小视场到大视场的转换.因此,切入式变焦系统必须要占用光路以外的空间,体积通常大于双位置变焦系统[4].双位置系统则是通过透镜组轴向间隙的变化而改变系统的焦距,可有效减小系统的体积,因此文中采用节省空间的双位置两档变焦结构.

　　本文系统采用(+-+)光学补偿结构,含四片透镜,系统全长仅为150 mm.该系统变焦过程中相对孔径保持不变,F/#为1.7,变倍比为3.75∶1.大视场状态全视场为19.2°,对于远红外变焦系统而言已属于很大的扫描视场[2,4].小视场状态全视场为5.1°.该系统在空间频率25 pl/mm处,大视场和小视场均有接近衍射极限的成像质量.因此,系统适用于像元尺寸20μm的现代非致冷式面阵探测器.扫描视场大,结构紧凑、简单,这些特点决定了该系统在军事红外前视系统(FLIRs)及红外扫描成像系统中会有广阔的应用前景.

　　1　系统设计步骤及结果分析

　　根据特定要求,系统变焦过程中相对孔径保持不变,系统变倍比为3.75∶1.在长波红外波段,必须考虑材料的吸收和成本,因此应尽可能减少光学元件的数量.通过合理使用衍射面和非球面,能有效地校正色差、平衡像差,使系统结构简单、紧凑[5].主要设计步骤如下:

　　第一步,确定系统的初始结构.为使系统结构简单、紧凑,选用(+-+)光学补偿结构.其中前固定组和后固定组均为正单透镜,变焦组为光焦度为负的单透镜,因此该系统为三片镜结构的负系统.对于负系统而言,当变倍组往前固定组移动时,系统焦距变短,为大视场、短焦距情形;当变倍组往后固定组移动时,系统焦距变长,为小视场、长焦距情形.系统变焦过程中保持相对孔径不变,系统变倍比为3.75∶1.系统的具体设计参量为:F/#为1.7;大视场视场角为19.2°,有效焦距为33 mm,入瞳直径为20mm;小视场视场角为5.1°,有效焦距为125mm,入瞳直径为75 mm.根据系统的各项参量要求,确定系统的三片镜初始结构.此时系统成像质量很差.