红外变焦光学系统设计

　　引言

　　变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化，而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径基本不变，并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。连续变焦的红外光学系统不仅可兼顾大视场搜索和小视场瞄准跟踪的要求，而且还可以解决两档或多档镜头由于视场切换，在短时间内对快速运动的目标丢失这一缺陷。红外技术在医疗、工业方面等也得到了广泛的应用。它可以发现人体温度的微小差异，因而可用来诊断与体温有关的许多疾病。在工业方面，可用于工业热故障探测、热能耗散、无损检测等领域。所以设计红外变焦镜头具有一定的现实意义[1]。

　　针对320×256长波红外非制冷型面阵探测器(像元尺寸25μm×25μm)，采用机械补偿的设计结构(负组补偿)，仅用五片透镜，光学筒长小于210mm。系统变焦过程中相对孔径保持不变，F/#为1，变倍比为3∶1，焦距50～150mm。该系统仅使用锗一种普通红外材料，引入了两个偶次非球面和一个衍射面，减小了系统的筒长和重量，并且还提高了成像质量。该系统在空间频率20lp/mm处，MTF均大于0.5。

　　1　变焦距系统的原理

　　现设计的变焦距镜头采用机械补偿[2]。系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成。其中后固定组对系统变焦没有贡献，它主要用来校正系统像差，同时起到调整系统光学筒长的作用。系统设计首先是外形尺寸的计算，即高斯解的求取。根据高斯计算，得出各个组元的焦距和组元之间的移动量。然后缩放焦距，用实际的透镜组代替。如果出现透镜组之间碰撞或间距过短，则要考虑重新进行高斯计算。好的高斯解对整个系统的后期优化有着重要的作用。

　　2　光学系统设计

　　2.1　光学设计参数

　　该长波红外连续变焦光学系统采用320×256非制冷焦平面阵列探测器[3，4]，其像元尺寸为25μm×25μm。红外连续变焦光学系统的设计指标：工作波段为8～12μm，系统的变倍比为3∶1，焦距变化范围从50～150mm，F/#为1，探测器对角线尺寸为11mm，在短焦位置视场角为4°，在长焦位置视场角为12.6°。

　　2.2　引入衍射面和非球面[5-8]

　　设计一个衍射光学元件关键在于确定描述衍射光学元件的相位多项式系数。相位多项式确定了出射波前的形状，旋转对称型衍射光学元件的相位函数在Zemax软件中用多项式进行描述：

  （1）

式(1)中，r是归一化的半径坐标，Ai是第2i次项系数。A₁项用于光学系统色差的校正，其他各项A₂、A₃项相当于非球面的作用，可用于系统单色像差的校正。衍射元件不产生场曲(SIV=0)，并且具有负的色散特性，其表达式为