引言 红外成像是目前**的新型夜视技术,红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强以及能在一定程度上识别伪装目标,且设备体积小、重量轻、功耗低等特点,在**上被广泛应用于夜视、侦查及制导等方面。
由于在红外波段可供选择的红外材料有限,且红外光学系统要求大口径、高质量的红外光学材料制备困难,因此红外变焦距光学系统的设计比可见光变焦系统的设计要困难。本文结合实例,应用光学设计软件Zemax针对中波红外连续变焦光学系统的设计进行了讨论。
2. 变焦系统原理
变焦距系统得基本原理是利用系统中两个或两个以上透镜组的移动来改变系统组合焦距,同时保持像面位置不动,且变焦过程中像质始终保持良好。实际使用的变焦距光学系统通常由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组4个透镜组组成。
变焦距光学系统得设计一般都要经过高斯光学计算来确定系统得初始参数以及系统光焦度的分配原则,很多文献有这方面的详细介绍,本文不再叙述。变焦距系统得像差平衡方法基本上与定焦系统像差平衡一致,为了在全视场和全孔径内获得满意的像质,要尽可能降低**像差、轴上点与轴外点像差以及细光束与宽光束像差。矫正色差以利于离焦后有满意的像质。
3. 设计实例
3.1 光学设计指标
选用法国的320X256中波红外凝视焦平面阵列探测器,探测器的详细指标如表1所示。光学系统设计指标如表2所示
表一:
Spectral region | 3.7~4.8um |
Detector pitch | 30X30um |
Peakdetectivity | >1.5X10 WHzcm |
Operating temperature | 110~130K |
Weight | 600g |
表二:
Wavelength range | 3.7~4.8um |
Zoomratio | 5:1 |
Fieldof view | 1.8°X1.4°(NFOV) 9.3°X7° (WFOV) |
Fnumber | 2.5 |
Entrance pupil diam | 120mm |
transmission | 〉70% |
根据表2中的设计指标可以计算出系统得焦距变化范围是60~300mm。对于具有大F/#的系统而言,大的变焦范围很容易实现。然而F/#增大会导致系统得灵敏度下降。因此,在光学系统设计中要综合像差和观测指标来确定系统得F/#。因为320X256探测器为制冷探测器,在探测器前面有一个冷光阑来消除探测器内部的热辐射对探测的影响,设计时须保证系统100%冷光阑效应,为了减小前物镜尺寸提前入瞳须采用2次成像的方法。
3.2 设计结果,*终涉及结果如图一所示
图一:
系统总长度为370mm,变焦系统由四部分组成:两个移动组合两个固定组。设计采用三个非球面,其余均为球面,在一次成像处加入场镜。
系统设计中正透镜采用低色散的高阻硅材料,负透镜采用单晶锗材料,两者结合使用以矫正色差。**个移动的负透镜修正轴向色差,同时帮助修正彗差和轴外像差以及匹兹万场曲。
3.3 像质评价
3.3.1 传递函数
传递函数十光学系统得主要评价手段。本设计中窄视场和宽市场的传递函数曲线如图二所示
图二:
由图二可以看出,窄视场传递函数在边缘有显著下降,主要是子午和弧矢像散和高阶像差所致。但还处在允许范围,其余视场传递函数较好。见件表3
表三:
焦距 | 60mm | 120mm | 180mm | 240mm | 300mm |
On-axisMTF | 0.77 | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 0.77 |
Off-axisMTF | 0.57 | 0.71 | 0.66 | 0.64 | 0.58 |
3.3.2 能量分布
窄视场和宽视场的能量分布曲线如图三所示。
从图三可以看出,窄视场和宽视场90%能量以上集中在探测器一个像元内。该设计能够满足制冷探测器的成像要求。
4. 结论
用Zemax设计软件设计了60到300mm中波红外连续变焦光学系统。设计中采用了3个非球面和8片透镜。成像质量好,适用于导航、搜索、跟踪、侦查等中波红外设备。