非制冷热成像长波红外两档变焦光学系统

    引言

    与连续变焦光学系统相比，两档变焦光学系统具有结构简单、成像质量好、透射率高、装调容易等优点，并且在实际应用中，由于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、镀膜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系统。在现代军事中，红外两档变焦光学系统已被广泛应用于制导、监控、红外前视系统、目标探测和追踪等领域；在民用方面，红外两档变焦光学系统可用于照相、空间遥感等领域^[1]。

    红外两档变焦光学系统分为两类^[2,3]，一类是切入式变焦系统，这类变焦系统通过切换系统中的透镜组以改变光学系统的焦距。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，但系统横向尺寸较大。另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，其缺点是轴向尺寸较大，但通过系统优化设计对轴向尺寸加以控制，可以在较短的轴向尺寸下获得满意的成像质量。本文研究了轴向移动式两档变焦光学系统的设计原理，并给出了具体的设计实例。

    1 两档变焦光学系统设计理论

    两档变焦光学系统设计原则与连续变焦设计原则相同，都是通过透镜组的移动来改变系统组合焦距，同时保证像面稳定。两档变焦光学系统的像差平衡方法基本上与定焦系统的像差平衡一样，为了在全视场和全孔径内获得满意的像质，要考虑到降低高级像差，初级像差与高级像差的匹配，高级像差不能降低时考虑用异号的高级像差相补偿，以及轴上点像差和轴外点像差相匹配，但是变焦光学系统还须考虑两个焦距位置的像差校正。一般来说，优化过程中利用前固定组、变倍组来使两个焦距位置的像差相等并且尽可能小，残留量用后固定组来校正，前面的像差也不能残留很多，否则后固定组校正残留像差中的像散 和畸变有困难。

    轴向移动式两档变焦光学系统的原理和光学补偿连续变焦系统类似，都是通过一个组的移动实现系统焦距的变化，同时满足变焦时像质保持良好。通常这样的系统由前固定组、变倍组和后固定组组成，其中前固定组和后固定组均为正透镜，变倍组为负透镜，当变倍组沿轴向移动时，整个系统的焦距随之改变。基本原理图如图 1 所示^[4]，变倍组在 1 位置时系统为短焦距宽视场情形，在 2 位置时为长焦距窄视场情形。