8倍双视场大相对孔径红外折/衍射系统设计

    0 引 言

    随着各种红外光电技术的日趋成熟， 连续变焦系统与两档双视场变焦系统已被广泛应用于各种红外光电目标跟踪产品中^[1]。 其中 ，红外两档双视场变焦系统相对连续变焦系统具有轴向尺寸小、 切换时间短、结构简单、像面稳定等优点，易实施工程化，因此，红外双视场系统是未来的研究方向。两档变焦系统可分为将透镜组轴向移动而改变焦距及切换系统中的透镜组来改变焦距两种类型， 后者存在切换视场时容易受冲击震动，丢失跟踪目标、闲置透镜使用效率不高、系统径向尺寸大的缺点；而前者能克服后者的上述问题^[2]。 两档双视场变焦系统在机载光电跟踪系统中， 既能在巡航和搜索时提供大的观察视野，又能在发现目标时，迅速将系统切换到长焦高分辨率工作状态，因此，该系统已广泛应用于光电跟踪设备中。

    目前，大相对孔径、高变倍比、系统透过率高、结构简单、轻量化是研究的方向，然而这些特点均要兼顾则存在着一定的矛盾和难度。 国内已研制的一种双视场 6 倍变焦系统虽然结构简单(6 个光学零件)，但由于其相对孔径只能做到 1/1.95， 仍无法满足大相对孔径、更高变倍比的军事需要。 因此，针对上述分析及机载红外跟踪项目的研制需要， 文中介绍了一种先进的两档式 8 倍长波红外变焦系统， 采用轴向快速移动透镜组来实现大小视场的切换。 为了在实现高性能、高像质的同时尽可能减小体积、质量，系统设计引入了非球面光学和衍射光学技术， 最终仅用 6 片透镜获得了大相对孔径、高变倍比、高像质的设计结果。

    1 光学系统参数指标的确定

    该系统利用衍射光学元件自身固有的温度特性和色散特性，采用 Petzval 型光学结构进行折衍射混合光学设计，既达到消色差设计的效果，又满足消热差的设计效果。 由于该系统要求体积小、质量轻，故拟采用 Sofradir 公司生产的 320 pixel×256 pixel、像元尺寸为 30 μm×30 μm 的非制冷型探测器^[3]。 其主要设计参数如表 1 所示。

    2 光学系统设计

    由于该系统在设计时考虑到消热差及消色差，故可利用衍射元件固有的温度特性和色散特性来进行设计。

    2.1 衍射元件的消热差特性

    由于温度变化对光学材料的影响可表示为：

式中：f 为光学系统焦距；f 为焦距变化量；T 为温度变化量； α 为材料的膨胀系数。 薄透镜的光焦度，则折射材料的温度对光焦度的变化关系为：

式中：r₁和 r₂为透镜半径；n 和 n₀分别为材料折射率及介质折射率。 则折射元件光热膨胀系数：