一种紧凑型大变倍比红外三视场光学系统

李文强* 赵克军 赵 翔

（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳471000）

1 概述

红外工作波段是机载光电探测系统使用最多的波段，利用温差对进行目标探测，能够昼夜使用。通常光学系统一般设计有多个视场，满足不同使用功能，大视场可用于导航，中视场用于发现目标，小视场用于远距识别。多视场一般为切换几组透镜或连续变焦的方式实现，陈吕吉等人介绍了多种实现多视场红外光学系统的构型[1]，张良等人采用衍射面实现了中波和长波多视场光学系统[2]，马迎军等详细介绍了连续变焦光学系统像差设计方法[3]，透射式光学系统口径一般小于150mm。通过反射式系统可以提高光学系统口径，提高作用距离，常用的有卡式、离轴三反、离轴四反等构型[4-7]，反射式系统可实现光学系统长焦高分辨设计，但难以兼顾大视场使用。透射式光学系统难以实现长焦设计，同时整个系统光路较长，反射式系统可实现长焦紧凑化设计，但是难以实现光学大视场设计，本光学设计通过综合透射式系统和反射式系统的各自特点，提出了一种切换卡式次镜的三视场光学系统，实现了光学系统长焦设计，同时实现了30 倍的大变倍比，满足大中小视场观测需求，光学系统总长约为焦距三分之一。

1 设计过程

中波红外光学系统采用640×512 制冷型探测器。

红外制冷型探测器冷光阑位于探测器内部，光学系统设计时需要把光阑设置于冷光阑处可实现100%光阑匹配。光学系统一般为二次成像模式，光学系统采用三视场共用一次像点后会聚目镜组，通过改变物镜组的焦距实现视场变倍。长焦视场采用卡式反射镜作为物镜组，中、短焦视场采用透射式物镜组构型，两组切换物镜组位于次镜处，通过旋转形式实现，保证在旋转过程中重心位置基本不变。主次镜采用铝材料，和结构材料相一致，铝反射镜安装形式较简单，并有更好的温度适应性，透镜材料为硅和锗，其中硅折射率大、色散小作为正透镜，锗色散大作为负透镜。

机载光电系统工作在-40℃～+60℃温度范围内，大的温度变化会导致光学镜片的厚度、间隔、曲率半径以及光学材料的折射率发生改变。光学系统的焦点随温度变化发生漂移，探测器像面偏离最佳焦面。该光学系统设计时三个视场通过同一组调焦镜组实现三个视场温度补偿。调焦镜组设置在会聚镜组中。固定会聚目镜组位于主镜开孔处，可压缩整个光学系统，总长和主次镜间距相当。

2 设计结果

通过光学传递函数评价光学系统成像质量，在-40℃～+60℃工作温度范围内，中波红外三个视场的光学传函离衍射极限下降小于0.1，可满足全温度范围使用要求。

畸变会影响成像的视觉效果，光学设计时需要控制畸变在合理的范围内。图1～3 为三个视场的畸变网格图，全视场范围内畸变均小于3%，满足成像使用要求。

图1 红外长焦光路畸变图

图2 红外中焦光路畸变图

图3 红外短焦光路畸变图

3 结论

通过切换卡式次镜的方式实现了大变倍比的红外三视场光学系统。三个视场共用相同会聚镜组，综合了反射式和透射式光路的优点，实现了光学系统紧凑化设计。三视场共用一个调焦镜组，在-40℃～ +60℃温度范围内，成像质量良好，满足机载设备温度范围变化大的使用要求。整个系统长度约为焦距三分之一，符合机载光电探测设备小型化、轻量化的需求。