30×中波红外连续变焦光学系统设计

　　0 引 言

　　红外变焦光学系统是功能很明显的被动探测光学系统，能够探测、定位并连续跟踪在红外背景辐射和其他干扰下发射红外线的物体和目标。 一般红外变焦镜头分为连续变焦和分档变焦两种。 连续变焦的红外镜头既能在大视场时搜索目标， 又能在发现目标后调整到小视场瞄准跟踪。 在视场转换过程中能够保持图像的连续性， 对搜索和跟踪高速运动的目标是非常有利的，很好地解决了分档变焦镜头视场切换时丢失高速目标这一缺陷[1-2]。 并且 ， 随着技术的发展，对镜头焦距范围的要求越来越高，大变倍比连续变焦镜头是红外变焦镜头发展的必然趋势。 因此， 设计大变倍比红外连续变焦镜头具有一定的实际意义[3]。

　　基于 320×240 制冷型中波红外探测器， 设计了一套高变倍比中波红外连续变焦镜头。 该系统可实现 30～900 mm 的连续变焦，变倍比为 30×，F 数为 4，工作波段为 3.7～4.8 μm， 满足 100%冷光阑效率，在空间频率为 16 lp/mm 下， 系统的 MTF 值大于 0.5，该系统具有结构紧凑，易于装调，像质好，分辨率高等特点。

　　1 设计指标及初始结构计算

　　1.1 光学设计指标

　　文中采用的探测器为 320×240 制冷 红 外 探 测器， 探测器像元尺寸为 30 μm×30 μm。 根据实际需要，红外连续变焦光学系统的具体参数如表 1 所示。

　　1.2 光学系统初始结构计算

　　该系统采用机械补偿法，具有结构紧凑、像质稳定性高等优点[4]。 系统各组分别采用 “+，-，+，+”的形式，即负组变倍，正组补偿的结构形式。图 1 为机械补偿法正组补偿系统，其中 Φ1、Φ2、Φ3、Φ4分别为前固定组、变倍组、补偿组、后固定组，它们的焦距分别为 f1′、f2′、f3′ 、f4′ ， 短焦和长焦时各组分间距分别为 d12s、d23s、d34s和 d　　12l、d23l、d34l。 在短焦端时，变倍组紧靠前固定组，补偿组紧靠后固定组。 在向长焦方向变焦过程中， 变倍组与补偿组向中间靠拢。 设计时要保证 d12s、d34s、d23l足够大，使各组间有足够间隔，从而避免碰撞。

　　令长焦端为起算位置，变倍组倍率取 m2l=-1，同时取归一化值 f2′=-1，d23l=0.7，由

　　可得 f3′<1.35，取 f3′=1.3。 其中 m3l是补偿组在长焦端的倍率。 此时，变倍组的物距 l2l、像距 l2l′和补偿组的物距 l3l、像距 l3l′分别为 :

　　此时，由变焦公式(5)和变倍比计算公式(6)联立， 可解出短焦端变倍组倍率 m2s和补偿组倍率 m3s，其中 β 为变倍比。

　　根据倍率的变化要求， 可求出短焦端变倍组和补偿组的物距、像距。