红外两档变倍光学系统设计

　　0引言

　　变焦(变倍)光学系统按照其变焦过程中焦距值是否连续变化可分为两类:一类为连续变焦，即通过透镜组轴向间隙的连续变化而改变系统焦距;另一类为非连续变焦(切换式变焦系统)，即通过切换系统中的透镜组来改变焦距值，通常被使用的主要有两档变倍和三档变倍，红外波段两档变倍最为常用。

　　红外连续变焦系统可以通过运动透镜组光学补偿线性移动或机械补偿非线性(凸轮曲线)移动来实现焦距变化目且像面保持不变。设计上，在材料选择、冷屏匹配、镀膜等方面都有较大的困难，并且这类系统轴向尺寸长，前部透镜口径大，且轴外光束切割严重而造成渐晕和图像噪声;红外切换式变焦系统的特点是长短焦透镜组元总有一组位于光路中，而另一组在系统之外，此类系统切换时间短、装配调整简中、纵向尺寸紧凑、透镜组元之间空间尺寸大、透过率高，常用于军事目标跟踪成像系统中。因此，文中主要讨论红外两档变倍光学系统。

　　1结构原理

　　红外两档变倍光学系统的设计原则与连续变焦系统[1-2]类似，主要应满足变倍时长短焦像面位置保持不变，其次是成像质量好，相对口径大。

　　图1为红外两档变倍光学系统结构原理图。

　　该系统由两组物镜组组成，前组物镜组(焦距f1')接收无穷远物体目且成像在一次像面处，后组是一个投影镜组，它的作用是使系统的出瞳与热像仪的冷屏尽量相重合，这样做的优点是使背景杂光、镜筒热辐射杂光不能入射到热像仪的靶面上，避免造成干扰，提高信噪比。如果整个系统要求倍率改变K，那么投影镜组的垂轴放大率也改变K，当投影镜组焦距f2'、物距l,垂轴放大率β和投影镜组共扼距L的关系如下:

　　当系统分别处于长焦和短焦位置时，利用公式(1)、(2)计算出的结果带入公式(3)~(6)即可求出其他高斯光学参数:

　　2设计举例

　　光学系统的主要技术指标如下:

　　(1)工作波段3~5μm;

　　(2)焦距值f' =400 mm , 200 mm，两档变倍;

　　(3)探测器的像兀数320x240，像兀尺寸30μm ;

　　(4)视场2ω=1.720,3.440;

　　(5)相对孔径D/f'=1/4;

　　(6)调焦范围

　　(7)冷屏到像面的光学间隔为20 mm ;

　　(8)工作温度-30~50℃

　　考虑到长焦时要有较好的像质(长焦距常被使用)，按照非物像交换的原则来分配前组物镜和投影镜组的光焦度，这里前组物镜焦距值取400 mm，长焦时投影镜组放大率为-1倍、短焦时投影镜组放大率为-0.5倍。