长波红外连续变焦光学系统的设计

　　0 引言

　　航空侦察是军事侦察的重要组成部分，具有时效性强、机动灵活等特点，不仅可以在短时间内同时发现多个目标， 向各级指挥官提供实时的侦察情报信息，而且还可对目标进行跟踪识别，因而在现代局部战争中发挥着越来越大的作用。由于红外探测具有一定的穿透烟、雾、霾、雪等限制以及识别伪装的能力，尤其适用于夜间及不良气象条件下对目标的探测，使其在机载航空产品上取得了越来越广泛的应用。利用连续变焦红外成像系统能够在像面上得到连续变化的目标像，这对光电探测及侦察均非常有利，因此，有关该方面的发展和应用受到了越来越多的重视。由于在红外波段可供选择的材料有限(如单晶锗、硒化锌、硫化锌等)，且大口径、高质量的红外材料制备困难， 红外变焦距光学系统的设计比可见光变焦距光学系统的设计要困难。文中尝试设计了长波红外连续变焦光学系统。

　　1 系统设计原理

　　连续变焦红外成像系统是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定且在变焦过程中像质保持良好的成像系统。定焦红外成像系统在像面上欲得到不同大小的像， 必须改变目标物体与镜头之间的距离或更换不同焦距的镜头。而连续变焦红外成像系统的焦距可以连续改变， 能够在像面上得到大小可连续改变的目标像， 这对于目标的探测与识别都非常有利。

　　变焦距系统的基本原理是利用两个或两个以上透镜组的移动来改变系统的组合焦距。大部分实际使用的变焦距光学系统都是由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组4 个透镜组组成， 其核心是可移动透镜组倍率的改变[1-2]。变焦距系统的像差平衡方法基本上与定焦系统一致，为了在全视场和全孔径内获得满意的像质，需尽可能降低高级的像差， 包括轴上点与轴外点的像差，细光束与宽光束的像差以及变焦位置的像差等，而各种色差也需要进行校正。因此，变焦距系统的设计比定焦系统的设计难度要大[3-7]。

　　2 设计实例与分析

　　2.1 设计指标

　　在长波红外连续光学系统的设计中所采用的是320×256 凝视焦平面阵列探测器， 面元尺寸为30 μm×30 μm，光学系统设计指标如表1 所示。

　　根据表1 中的设计指标进行分析， 可以算出系统焦距的变化范围是34~345 mm， 对于具有较大F数的系统，大的变焦范围很易实现，然而，F 数的增大必然伴随着系统灵敏度的下降。因此，在设计中必须综合平衡各方面因素，来确定系统的F 数。另外，在尽量减小物镜尺寸的同时保持系统的冷光阑效率为100%，系统设计中必须采用二次成像的方法。