機載小型化中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)設計

吳海清，王瑋超

機載小型化中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)設計

吳海清1，王瑋超2

（1. 凱邁(洛陽)測控有限公司，河南 洛陽 471009；2. 洛陽建工集團有限公司，河南 洛陽 471009）

為適應機載光電系統(tǒng)對紅外熱像儀光學系統(tǒng)小型化、輕量化的要求，采用前端無焦擴展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)組合的方式，實現了30～660mm的22倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光學總長為244mm，總長/最大焦距比為0.37，系統(tǒng)具有光學總長小、變倍比大的特點，適用于遠距離目標探測的大型機載光電吊艙系統(tǒng)中。將前端無焦擴展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)可以實現15～330mm的22倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光學總長為138mm，總長/最大焦距比為0.42，可作為獨立的連續(xù)變焦系統(tǒng)應用于近距離目標探測的中小型機載光電吊艙系統(tǒng)中。設計結果顯示，該系統(tǒng)在兩種狀態(tài)下均成像良好，在探測器對應的特征頻率331p/mm處，中心視場的MTF值均在0.3附近，接近衍射極限，0.7視場的MTF值均在0.2附近，邊緣視場的MTF均在0.15附近，能夠滿足應用需求。

小型化；光學設計；連續(xù)變焦系統(tǒng)；中波紅外

0 引言

由于紅外成像是由物體自身輻射的紅外線經過成像系統(tǒng)后完成成像觀察的，而熱輻射與物體的溫度有關。因此，紅外成像可以實現白天及夜間的全天時成像，具有全天候目標探測、識別的能力，此外由于其屬于被動成像，具有不易被干擾、識別偽裝能力強等優(yōu)點，在直升機、固定翼飛機、無人機等機載光電系統(tǒng)中裝載紅外成像系統(tǒng)用于完成戰(zhàn)場態(tài)勢感知、目標搜索、跟蹤、探測及識別以及武器引導與打擊效果評估等作戰(zhàn)任務，已成為光電系統(tǒng)的標準配置之一[1-3]。

定焦紅外成像光學系統(tǒng)的焦距固定，難以滿足對不同距離處目標的探測、識別要求。連續(xù)變焦紅外光學系統(tǒng)在短焦狀態(tài)下視場大，其成像收容面積大；在長焦狀態(tài)下視場小，其成像分辨率高。應用在機載光電系統(tǒng)中，大視場可用于大范圍的目標搜索，小視場可用于對目標進行詳查與識別、跟蹤及瞄準。此外，由于連續(xù)變焦成像系統(tǒng)在進行焦距變化時始終保持對目標清晰成像，因此，在對目標進行跟蹤或瞄準時，可根據觀察需要進行焦距調整，選擇合適的觀察視場，并且在視場切換過程中能夠保持對目標的穩(wěn)定跟蹤而不丟失，從而有效提高了人機功效[4-6]。

本文采用前端無焦擴展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)組合的方式，增加倍鏡后實現了30～660mm的22倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，將前端無焦擴展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)可實現15～330mm的22倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)。

1 設計指標

文中針對目前廣泛應用的640×512元制冷型紅外探測器進行連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的設計，探測器像元尺寸為15mm×15mm，響應波段為3.7～4.8mm，光學系統(tǒng)設計參數如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)技術指標

2 設計思路

圖1所示為光學系統(tǒng)的組成圖，采用前端無焦擴展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)組合設置的方式，兩部分獨立進行設計，后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)采用三組元機械補償式結構型式，有效縮短了光學系統(tǒng)長度，實現小型化設計。前端為2′無焦望遠鏡，用來擴展光學系統(tǒng)焦距，在設計時，前端望遠系統(tǒng)的出瞳與后端連續(xù)變焦系統(tǒng)的入瞳相互匹配。前端擴展倍鏡將后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的焦距增加為原來的2倍，實現長焦化，適用于遠距離目標探測的大型機載光電吊艙系統(tǒng)中。將前端無焦擴展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)可作為獨立的連續(xù)變焦系統(tǒng)用于近距離目標探測的中小型機載光電吊艙系統(tǒng)中。

圖1 連續(xù)變焦光學系統(tǒng)組成

圖2為后端連續(xù)變焦系統(tǒng)的光學原理圖，其中1為前固定組，2為變倍組，3為補償組，4為后固定組。

圖2 機械正組補償連續(xù)變焦原理圖

系統(tǒng)的變倍比為[7]：

式中：2、3分別為第2、3組元的初始放大率；*2、*3分別為第2、3組元變焦移動后的倍率。

變倍組與補償組的初始放大率分別為：

式中：1￠、2￠、3￠分別為第1、2、3組元的焦距；12為第1、2組元之間的初始間隔；23為第2、3組元之間的初始間隔。

變倍組與補償組變焦移動后的倍率分別為：

變倍組的移動量：

補償組的移動量：

各組元之間的間隔為：

12*＝12＋(8)

23*＝23－＋＞0 (9)

34*＝34－(10)

以短焦為起始位置，給定歸一化值：2￠＝－1，設計時，補償組的焦距不宜過長或過短，過長時補償像面位移需要的補償量太大，不利于實現小型化設計，過短時補償組負擔的相對孔徑太大，像差校正困難，補償組焦距一般為變倍組焦距的3倍左右，取3￠＝3。由于最短焦時，變倍組與前固定組之間的間隔最近，12的選取保證鏡片互不相碰且留有一部分余量即可，取12＝0.5。設短焦時23＝6，根據公式(1)～(9)得出系統(tǒng)在長焦狀態(tài)下：*12＝7.3，*23＝0.6，各組元的焦距分別為1￠＝11，2￠＝－1，3￠＝3。

3 設計結果及像質評價

3.1 設計結果

采用機械正組補償式連續(xù)變焦光學結構模型，在建立初始模型并縮放后利用光學設計軟件進行優(yōu)化。由于該系統(tǒng)短焦視場較大，軸外像差和高級像差都比較大。針對高級像差校正，設計引入高次非球面和衍射面，較好地平衡了軸外和軸上像差。采用二次成像結構，系統(tǒng)入瞳距離前鏡組較近，因此軸外視場的主光線在前鏡組上的投影較低，從而減小前端透鏡的口徑。此外，光機結構設計時，在一次像面位置處設置視場光闌，使得系統(tǒng)視場外的雜散光不能穿過視場光闌到達像面，可有效降低雜散光對光學系統(tǒng)成像的影響，提高了信噪比。在光學系統(tǒng)出瞳處設置孔徑光闌，孔徑光闌與制冷探測器的冷光闌一致，系統(tǒng)F數與探測器F數相同，實現100%冷光闌效率，因此，不會出現由于存在光束切割造成能量損失的情況，從而提高了系統(tǒng)靈敏度。

最終設計的光學系統(tǒng)如圖3～圖6所示，在增加擴展倍鏡后，可實現焦距在30～660mm范圍內連續(xù)變化的22倍連續(xù)變焦功能，該系統(tǒng)的光學總長為244mm，總長/最大焦距比為0.37，具有光學總長小、變倍比大的特點；將前端無焦擴展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)可實現焦距在15～330mm范圍內連續(xù)變化的22倍連續(xù)變焦功能，該連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的光學總長為138mm，總長/最大焦距比為0.42，系統(tǒng)總長短、體積小。

圖3 焦距為15mm時的光路圖

圖4 焦距為330mm時的光路圖

3.2 像質評價

對于成像光學系統(tǒng)，光學調制傳遞函數（modulation transfer function，MTF）是像的調制度與物的調制度之比，它是空間頻率的函數，能夠表示出在各個頻率分量上目標背景經過成像系統(tǒng)后對比度的變化情況。高頻、中頻以及低頻部分分別反映了物體細節(jié)傳遞情況、層次傳遞情況和輪廓傳遞情況，是成像光學系統(tǒng)性能判據中最全面的判據。圖7、圖8為本文光學系統(tǒng)在未增加倍鏡的情況下，短焦15mm、長焦330mm時的MTF曲線，由圖可見，在640×512制冷探測器對應的特征頻率33 lp/mm處，中心視場的MTF值均在0.3附近，接近衍射極限，0.7視場的MTF值均在0.2附近，邊緣視場的MTF均在0.15附近，對于機載成像系統(tǒng)，人眼觀察的主要區(qū)域在視頻的0.7視場范圍內，該光學系統(tǒng)能夠滿足應用要求。

圖9、圖10為本文光學系統(tǒng)在增加倍鏡后，短焦30mm、長焦660mm時的MTF曲線，由圖可見，在640×512制冷探測器對應的特征頻率33lp/mm處，中心視場的MTF值均在0.3附近，接近衍射極限，0.7視場的MTF值均在0.2附近，邊緣視場的MTF均在0.15附近，能夠滿足應用要求。

在幾何光學的成像過程中，由于光學系統(tǒng)存在像差，導致由物面上一點發(fā)出的光線經過光學系統(tǒng)成像之后，在像面上不再集中于一點，而是形成一個分布在一定范圍內的幾何像斑，稱之為點列圖。點列圖為像質評價提供了依據，用點列圖來評價光學系統(tǒng)的像質是一種方便易行的方法。光學系統(tǒng)的均方根（root mean square，RMS）彌散斑直徑是包含大約68%能量的圓的直徑，圖11、圖12為本文光學系統(tǒng)在未增加擴展倍鏡的情況下，短焦15mm、長焦330mm時的點列圖，由圖可見，該系統(tǒng)的RMS彌散斑直徑的最大值為20.9mm。該系統(tǒng)的艾里斑直徑為2.44×F#＝39.04mm，因此，彌散斑直徑小于艾里斑直徑，滿足應用要求。

圖5 帶增倍鏡焦距為30mm時的光路圖

圖6 帶增倍鏡焦距為660mm時的光路圖

圖7 焦距為15mm時的MTF

圖8 焦距為330mm時的MTF

圖9 帶擴展倍鏡焦距為30mm時的MTF

圖10 帶擴展倍鏡焦距為660mm時的MTF

圖13、圖14為本文光學系統(tǒng)在增加擴展倍鏡后，短焦30mm、長焦660mm時的點列圖，由圖可見，該光學系統(tǒng)RMS彌散斑直徑的最大值為23.5mm，小于艾里斑直徑39.04mm，滿足應用要求。

在連續(xù)變焦鏡頭結構中，通常采用變焦凸輪來帶動變倍組與補償組進行移動，變倍組和補償組兩個透鏡組分別裝在兩個滑架上，每個滑架上固定一個導釘，導釘沿凸輪曲線槽運動。當電機旋轉驅動凸輪轉動時，兩個滑架的導釘便沿著各自的導槽運動，帶動變倍組和補償組沿光軸方向按預定關系移動，從而使得鏡頭焦距發(fā)生改變。該機構具有傳動平穩(wěn)、控制簡單、可靠、無跳動、空回小等優(yōu)點。而變焦凸輪曲線槽是在數控機床中通過變焦曲線數據加工而成，因此，對于連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，變焦曲線的擬合是連接光學設計與光機結構設計的關鍵環(huán)節(jié)。圖15為該變焦光學系統(tǒng)變倍組、補償組的變焦運動曲線圖，其中，橫坐標為光學系統(tǒng)的焦距，縱坐標為變倍組、補償組距前固定組的距離。由圖可見，該系統(tǒng)在焦距變化過程中變倍組和補償組的運動均平滑、連續(xù)，沒有拐點，可有效避免系統(tǒng)在變焦運動過程中出現卡滯現象。

圖11 焦距為15mm時的點列圖

圖12 焦距為330mm時的點列圖

圖13 帶擴展倍鏡焦距為30mm時的點列圖

圖14 帶擴展倍鏡焦距為660mm時的點列圖

圖15 光學系統(tǒng)變倍組、補償組變焦運動曲線

4 結論

本文采用前端無焦擴展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)組合的方式，增加擴展倍鏡后實現了30～660mm的22倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光學總長為244mm，總長/最大焦距比為0.37，系統(tǒng)結構緊湊，具有光學總長小、變倍比大的特點，適用于遠距離目標探測大型機載光電吊艙系統(tǒng)中。將前端無焦擴展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學系統(tǒng)可實現15～330mm的22倍連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，該連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的光學總長為138mm，總長/最大焦距比為0.42，可作為獨立的連續(xù)變焦系統(tǒng)用于近距離目標探測的中小型機載光電吊艙系統(tǒng)中。根據任務設備的不同需求，可以通過增加或去掉前端擴展倍鏡的方式，適應不同光電吊艙對紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)的體積、焦距要求，從而有效縮短系統(tǒng)研制周期，降低技術風險及研制費用，擴大了產品的適用范圍，延長了產品壽命周期，在機載光電等領域具有良好的應用前景。

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Design of Airborne Miniaturized Middle Wavelength Infrared Continuous Zoom Optical System

WU Haiqing1，WANG Weichao2

(1.().,471009,;2..,471009,)

To satisfy the requirements of an airborne electro-optical system for miniaturized and lightweight optical system of an infrared thermograph, a 22′continuous zoom optical system of 30–660mm was realized by combining front-end afocal extender and back-end continuous zoom optical system. The total optical length of the system was 244mm, and the total length/maximum focal length ratio was 0.37. The system had a small optical length and large zoom ratio, which makes the system suitable for large airborne electro-optical pod systems for long-distance detection. Upon removing the front afocal extender, the back-end system could achieve a 22′continuous zoom optical system of 15 to 330mm. The total optical length of the system was 138mm, and the total length/maximum focal length ratio was 0.42. The system can be used as a continuous zoom optical system in small-and medium-sized airborne electro-optical pod systems for close-range target detection. The design results exhibit that the system can capture images effectively in both states: at the characteristic frequency of 33 lp/mm corresponding to the detector, all the MTF values of the central field view were approximately 0.3, close to the diffraction limit, all the MTF values of the 0.7 field view were approximately 0.2, and all the MTF values of the edge field view were approximately 0.15, which satisfies the application requirements.

miniaturization，optical design，continuous zoom system，middle wavelength infrared

O439；TH74

A

1001-8891(2021)12-1177-06

2021-01-01；

2021-11-25.

吳海清（1982-），男，陜西榆林人，高級工程師，碩士，主要研究方向為成像光學系統(tǒng)設計。E-mail: whqcust@163.com。