大靶面制冷中波红外变焦光学系统设计*

刘 钧,李西杰,徐瑞超

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

随着现代军事态势的不断恶化和红外加工设计技术的不断发展，对于红外变焦系统的需求日益增加，要求也不断提高，因此红外系统结构的设计与研究显得尤为重要.文献[1]根据变焦被动式消热差的方法，设计了一款焦距为30～150 mm，系统采用320×240 pixel焦平面阵列探测器，相对孔径为1的大相对孔径被动式消热差长波红外光学系统，详细推导了被动式消热差理论，并且验证理论满足设计实际需求.文献[2]设计了一款宽光谱、无遮拦及高分辨率离轴反射光学系统，该系统克服了传统透射式及反射式系统的缺点，并且实现了单色局部高分辨率的优势.文献[3-6]设计一款红外连续变焦可以有效避免系统在焦距的变化过程中，由于改变焦距延时而导致丢失快速移动的目标，保证图像信息输出的连续性和可持续性，并且具有对目标特性进行全天候监控侦查的优势.

针对常用的制冷320×240 pixel焦平面阵列探测器像元数少，分辨率低等缺陷，文中采用目前最流行的640×512 pixel制冷型探测器进行系统设计，大面阵640×512 pixel探测器与320×240 pixel面阵探测器相比，像元数有了大幅度的增加，提高了系统对景物的分辨本领，而且可以看到更多的景物细节.

1 光学系统设计

1.1 设计要求

本次设计所选取的探测器不仅在单个像元数量上有了大幅度增加，而且在对物体细节分辨能力上也有了大幅度提高.具体的设计指标见表1.

表 1 光学设计指标

1.2 变焦初始结构设计

光学系统的一次成像透镜组、二次成像透镜组、中继组、冷光栏和像差补偿组系统组合[7]如图1所示.其中一次成像透镜组包括变倍透镜组、焦距补偿透镜组和前固定透镜组.为了对系统的高级球差和轴向色差进一步控制，设计过程中将其光焦度分别分配为正、负、正和负，以补偿系统大量的轴外像差.二次成像组和像差补偿组用一个正光焦度透镜组.

图1 系统结构图

为了保证像面位置稳定，两个像面移动的代数和为零，必须满足以下条件：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得变倍组和补偿组满足此变焦过程微分方程，表达式为

(4)

2 结果与分析

2.1 设计结果

结合变焦理论以像差变倍组的光焦度为规范值，即取光焦度Φ2=1 mm-1，根据变焦理论公式，最终得到前固定组光焦度Φ1=0.155 mm-1，像差补偿组光焦度Φ3=0.72 mm-1，像差中继组光焦度Φ4=1.266 mm-1，系统结构数据见表2.

表2 系统最终公共部分参量

系统总长为412×25 mm，在表3中详细给出了系统焦距在50～601 mm范围内时各组元之间的空气间隔.其中，像差补偿组和中继组之间的间隔为d34，焦距变倍组和像差补偿组之间的间隔为d23，前固定组和焦距变倍组之间的间隔为d12.图2为该系统在焦距f=50 mm、f=168.501 mm、f=312.93 mm和f=601 mm处的结构图.

表3 不同焦距时各组元的间隔

图2 中波红外在不同焦距处的结构图

为了简化光学系统结构和优化平衡系统的残余像差，对系统引入了两个偶次非球面.两个偶次非球面Surface 2和Surface 5的系数如下：k=0,α1=-1.63×10-6,α2=3.76×10-11,α3=2.56×1012,α4=-2.34×10-16;k=0,α1=7.03×109,α2=-8.48×10-11,α3=7.94×1012,α4=-6.53×10-12; 其中α1，α2，α3，α4为非球面系数，k为圆锥系数.

2.2 变焦凸轮结构曲线分析

在设计软件中利用差值法均匀地取出系统更多的焦距采样点，利用Origin软件拟合出系统的焦距变倍组和像差补偿组的相对位置关系如图3所示.由图3可以看出，凸轮结构曲线过渡平滑，有效地减小了变焦变化过程中的不连续性.

2.3 像质评价

调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)和点列图是光学系统唯一的像质评价方式，评价方式如图4所示.

图3 焦距变倍组与像差补偿组的变化关系曲线

系统传递函数在频率为20 lp·mm-1时，系统的传递函数值在0.4以上满足设计要求.弥散斑的均方值最大为20 μm，在一个像元尺寸(像元尺寸为25 μm)内，满足红外系统对分辨率的成像要求.

图4 系统在各焦距处的传递函数图、点列图

3 冷反射分析

在制冷型红外光学系统中，必须考虑冷反射现象(Narcissus).冷反射是从制冷出瞳发出的冷光线，被系统光学表面反射或者散射后又返到制冷性探测器的光线，最终产生的冷反射现象[8].冷反射不仅会影响系统的成像质量和性能识别，还会对探测器造成一定的伤害[9-11].因此，为了提高光学系统的工作效率，对制冷性红外光学系统进行冷反射的抑制显得尤为重要.表4为系统不同组态在每个面的冷反射值.

表4 冷反射分析结果

从表4可以看出，系统在1，2，3和4面短焦组态YNI和I/IBAR绝对值都小于1，因此，重点对这些面在全视场的冷反射进行反向光线追击，其反向光线追迹图如图5所示.

图5 全视场反向光线追迹图

从图5可以看出，系统在短焦第2,3和4面在0视场光线均发散，不会到达制冷红外焦平面上；第1面在0视场光线经反射可以聚焦到焦平面上，但是冷反射光线均匀散开.对于变焦制冷红外光学系统，要同时考虑同一光学表面在不同组态下的冷反射分析，由表4可以看出，第17，18和19面在所有组态YNI和I/IBAR绝对值都小于1，因此对这些面在全视场进行冷反射分析，17面在不同组态的反向光线追迹图如图6(a)～6(d)所示，18面在不同组态的反向光线追迹图如图6(e)～6(h)所示，19面在不同组态的反向光线追迹图如图6(i)～6(l)所示.

图6 不同组反向光线追迹图

由以上反向光线追迹图可知，虽然红外光学系统在17，18和19面的YNI和I/IBAR的绝对值都小于1，但这些面在全视场产生的冷反射光线比较发散，冷像噪声强度对系统的影响非常微弱.系统其他各面YNI和I/IBAR绝对值大于1，产生的冷像对系统的影响为零.

4 公差分析

加工装调公差不仅会影响光学系统的成像质量，且还会影响产品的适用性.文中设计使用传递函数值变化来评价公差敏感度.一般情况下，加工装调公差的评价方式在最敏感情况下MTF下降量不能超过0.15，对给定的公差容限分别在不同组态下进行多次蒙特卡洛分析，公差容限见表5.

表5 不同组态公差列表

经过20次蒙特卡洛分析，大多数敏感的公差为元件表面倾斜公差，最差的使得MTF下降值约为0.003，满足设计要求.不同组态下公差分析的MTF图如图7所示.

图7 系统公差分析传递函数图

5 结 论

1) 为了提高红外系统对景物分辨本领和对景物场景细节的描述，文中设计了一款640×512 pixel大靶面制冷连续变焦光学系统，系统切换视场可以连续快速进行，可以防止在采集图像信息的过程中，丢失快速移动的目标信息，保证图像视频信息传输的实时连续性，同时实现焦距在50～601 mm范围内无延时连续切换，具有对所有目标辐射特性信息进行全天候侦查的优势.

2) 为了减小系统的径向尺寸，系统由一次成像结构和二次成像结构构成，满足100%冷光阑效应.使用锗和硅两种材料，结合非球面，保证了系统在奈奎斯特频率20 lp·mm-1处传递函数值高于0.4，满足成像设计要求.

3) 利用ZEMAX软件对红外光学系统每一个面在不同组态运用反向光线追迹，并对红外系统的冷反射进行了仿真分析，冷像对像面的影响满足成像要求.系统具有非常高的热灵敏度、图像对比度一致性均匀以及变焦凸轮曲线过渡平滑等优势，因此，该系统在野外侦查识别、空中预警等领域有着非常广泛的应用.

参 考 文 献:

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[2] 常军,沈本兰，王希，等.宽谱段、动态局部高分辨离轴主动反射变焦系统[J].光学精密工程,2016,24(1):7.

CHANG Jun,SHEN Benlan，WANG Xi，et al.Off-axis Reflective Active Zoom System with Broad Spectrum and Dynamic Local High-resolution[J].Optics and Precision Engineering,2016,24(1):7.

(in Chinese)

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