38卷第1期 2019年2月
红外与毫米波学报
J. Infrared Millim. Waves
Vol. 38 ! No. 1
February ,2019
DOI10.11972/j. in. 1001 -9014.2019. 01.010
文章编号\"1001 -9014(2019)01 -0055 -07 :
大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统研制
于洋1,2 !
(1.中国科学院上海技术物理研究所，上
!周潘伟1,2 !潘兆鑫1,2 !
海200083 %
蹇毅1,2
2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200083
)
摘要:提出了 一种新型连续变焦结构形式，在现有经典四组元机械补偿变焦模型的基础上，添加一个独立的变倍
组，利用二个变倍组级联的方式获得超大变倍比，并推导了数学模型.在此基础上，针对制冷型中波探测器，研制了
一套大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统，解决了大相对孔径红外变焦系统变倍比难以提高的问题.该光 学系统工作波长3.7 ~4. 8 \"m,冷光阑效率100% ,可实现从焦距6 mm至330 mm连续变焦，在G数恒定为2的同 时，变倍比高达55倍.该系统仅包含八片镜片，其中三片镜片独立运动实现变焦.设计结果显示，该系统在6 mm至 330 mm的焦距范围内，变焦曲线平滑、像质良好.实验室测试和外场成像结果显示，该系统在整个焦距范围内成像 效果清晰，达到设计要求，验证了这种新型连续变焦数学模型的应用效果.关键词：光学系统；续变焦；变倍比；相对孔径
中图分类号:TN216
文献标识码：
A
Realization of a continuous-zoom infrared optical system
with high ratio and large relative aperture
(1. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences’ Shanghai 200083 , China；
2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences’ Shanghai 200083, China)Abstract： A new continuous zoom structure was descril^ed, and a new independent zoom group wasadded on the classical four-group-mechanical-compensation. And larger zoom ratio was achieved by the
way of two zoom groups cascading. This mathematical model was deduced. cooled mid-wave infrared detector, a continuous-zoom infrared optical system with large and large relative aperture was designed. And the problem that it + s hard for a zoom optical system to achieve both large zoom ratio and large relative aperture was solved. This optical system can zoom from 6 mm to 330 mm, which means it can reach 55a zoom ratio while the F number The working waveband was 3.7 〜4. 8 \"m, the cold shield efficiency was 100F. It contains only eight lenses, three of them move in order to change the focal length. The result shows that the zoom curves are quite smooth and the image quality is quite good in the whole zoom range. The laboratory test and the out-door imaging experiment shows that the image quality is quite good in the whole zoom range. It proves the application effect of this new kind of zoom model, and shows that the system reaches its de- 0ign goal.
Key words: infrared optical system, continuous zoom, largezoomratio, largerelativeaperture PACS: 42.15. Eq,07.57. -c
YUYang1’2*, ZHOUPan-Wei1’2, PANZhao-Xin1’2, JIANYi1’2
Then, acco
zoom ratio
is 2
nal Scene £¥1(^61106 Funded Foundation (2017xcwzk08) , Innovative Special Foundation of Shanghai Institiate of Technical Physics ( CX-72)作者简介（Biography):于洋（1984-),女’河南信阳人’副研’博士’主要研究领域为红外光电成像技术与红外光学系统设计.E-mail: yyng@mail. sitp. ac. cn
收稿日期\"2018-04- 16,修回日期：2018- 05- 14 Received date: 2018- 04- 16,revised date: 2018- 05- 14基金项目：国家十三五国防预研项目（Js2016-0404/Y72-2);上海市现场物证重点实验室基金资助项目（2017pWZk08 $;中国科学院青年创新促 进会(2016220资助$;中科院上海技术物理所三期创新项目（CX-72)Foundation items ： Supported by the National 13 th Five Year Defense Preresearch Foundation ( Jzx20160404/Y722) , Shanghai
Key
56
红外与毫米波学报
38卷
引言
红外成像是一种被动 像技术，具有$4
天候成像、隐蔽 、探
、抗扰能力强优势， 空、侦察、搜索、跟踪、警戒等诸多得 的.近年来， 红外光学技术
的长足 及其
范围的不断扩展，红外定焦光
学系
满足一些
合的
，对红外连续变焦光学系统的需求不断增强[16].
但是，与可
变焦光学系
，一红外光学材料的种类有限，且材料口
；另一
， 红外 学系 需 与 红外 探，其出瞳位 意
，因，红外变焦光学系统的设计 、设计度更大.传统的红外变焦
学系统，其变
，
实大变
，
其是同时具有大变 与大 于一体的红
外 变焦 学系 ， 是 实 .
$017年，操超人设计了一套变 为36
，
1
焦分G数为$、焦分G数为4的非制冷 长波连续变焦光学系统[4]. $014年，周昊设计了一 变
为30 、G数为$的中波连续变焦光学系
[5]. $017年，杨明洋等人设计了一套变 80
，G数为4的中波连续变焦光学系统[6]. $010年，
Mark CSanson等人设计了一套变 为30倍，G
数为4. 5的中波连续变焦光学系统[7].
有的文献调研结果显示， 同实现
大 大变 的红外变焦光学系统，已公表的少数超大变 的变焦系统的G数大都
为4.而
公
表的介绍大变
红外变焦系
的文献中，大分文
给出了理论设计结果，比
实物成像效果公开.创新采
二个独立变
一个补偿组的新变焦 ，通过二个独立变
的级联，有效提高
系 的 变 ， 实 大
大变 的红
外连续变焦.本文所研制的连续变焦红外光学系统，
焦距变化范围从6 mm到330 mm，变 55 ，G数恒定为$，具有小G数大 、大变倍、焦的特点.该系统与 红外探
嚷己
套，实现100T ，从而提高系统灵敏度， 提 系 .
理论设计结果与实
外
像实验结果显示，本系可以实现从短焦广角 焦端的完整焦距范围内的满意成像，成像 ，满足使用
求.
1
系统原理为
实现大
变
的设计目
标，
补偿型变焦系统的基础
上[86]，文在模型中增 一个独立运动的变倍，希望通过两个变 联的 ，获得更大的变
，以及留有 的自由度以便扩大
.这
种新型变焦结构
图1所示.
_前固定组
变倍组1补偿组后固定组中断成像组
变倍组2 由抓命梅扭
也个
扣个 04丫
06个
物空间■像空间
图1
新型变焦结构型式
Fig. 1
New Zoom Model Structure
于 这种 新 变 焦 结构
， 需 出 动
份\"$、\"、\"加以分析即可.由于变
\"的微小
移动引起整个运动组份像面移动为\">4$ >3$ (1 ' >$$)如$，两组份\"和\"的微小移动引起整个运动 组份像面移动分别为:>4$ ( 1 - >3$ $ @△和（1 - >4$ $ @F，
为
像
有：
>4$ >3$(1 ->$$)@F$ + >4$(1 ->3$)@#
+ ( 1 - >4$) df4 = 0 . ( 1)而各运动 \"$、\"、\"的微分移动量dF$、
d#、dF与倍率变化d>$、d>3、d>4之间的关系为：
d>$ =
>$$
d ；$
，($ )dF$ =:〜>$d>$
，(3)dF ，(4)$
:N .41 d >4$$$
f$ d>$ + >!$$d>3.(5)
(3)、（4)、（5 )
( 1 )，整理可得新型变
焦系统的变焦微分方程（或
动方程）
：
^1 _>$$.' /$ d1 >$ +丄1^ _ />$3 . ' d1 > 丄1 _ >$ . ' d1 > N 0
〇.(6)
上式也可以写成下列形式：
\"idLl = 0
. (7)程( 7 ) 的 动
的 变
为.
对于方程（6)，设。（>$，>3，>4)为原函数，贝(|
#期
于洋等\"大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统研制
57
有dU(>$，>，>) =0,则式(6)的通解为： U (>，>，> $
+ >)+/3’(一 + >)
+/4〇mA
丄 +>()
=
C
(\")
其中c为待定常量.注意到：
=
.3 ’_____________3; f(&). ' ’ $231 + ( 1 ~ m2l) fl
= f( ’__________^
~f( ’ -$3(1 + ( 1 -mM) .3'(10)
代入起始条件：
m2 = m2l，m3 = m3l，m( = m(l
(11)
得：
fiW
mi_mW
3
_Lmirm_mm
+/(’丄m( 一m丄(i+m( -m() =〇 • (12)补偿组\"的倍率m3依然构成同之前经典四 组元推导一样形式的二次方程：
m3$ — bm3 +1=0 ， (13)
其中系数P为：
f
3
(丄4 -丄
4l
4一 m(l
+ (i
+ m3l)(14)
解得两根为:
b + 槡b2 _4
；31 = 2
(15)
m32 = -b --_
-槡〇b2---------- _4
第一步，由式（6)，对
f
由零积到F，对m2由
m2积到ma，得：
厂F 厂m2l . ’•[> 0 #2 = •> #m 2 m2-2@m2 ， (16)
由
公
式
+c可知，式（16)可化为：
F =石'（丄2 -12l
)
(17)
整理后可得:
m2 = ^1 ~+---| • (18)m2l ,2
从此式可以看出，只要给定变倍组\"的移动量
F，就能解得它的倍率m2.
第二步，由于本系统含三组独立运动的镜组，则
由式(3)和(4)，积分得:
m( = m(i _. •
(
1&)
第三步，将（1\")和（19)求得的m2和m(代入式 (
14)便可求出系数b，从而解得msi和m3$•第四步，由式(5)积分得：
# = ,3’( m----3 L3l
) _ & ++2’(m2 _ m$)
•
(20)
由此式可解得为了补偿变倍组\"和\"各自作
F和F的移动量所引起的像面位移所必须有的补
偿量#•
在上述推导的基础上，可以求出系统的变焦 为：
m$ m3 m4
由此即可判断是否达到变焦比，若没有的话，继 续增加F和F，直到达到变焦比为止.达到了变焦
比的要求之后，当前位置即为短焦位置，即m$9 =m2，m39 =m3，m(9 =m4，F$9 =F$，F(9 =F(，#39 =#3
• (22)
根据上述模型，利用式（18)、（19)、（14)、 (15)、（ 13)和(20 )，可解得各组份的运动情况与光 焦度分配关系•
2光学系统设计
2.1
系统参数
在上述模型分析的基础上，实际设计了一套变
倍比达55倍且G数恒定为2的连续变焦红外光学 系统，实际变焦系统的参数如表1和表2所示.根据 前面的理论推导，计算出系统所需的光焦度搭配组 合为:前固定组焦距//为186.5 mm，变倍组1焦距 允为-49. 8 mm，补偿组焦距允为83.4 mm，变倍组 2焦距厂为-23. 3 mm，后固定组焦距广为-26. 1 mm.将这些值作为初始约束代入ZEMAX优化，经 过反复调整和增减镜片，得到的最终系统光路图如图2所示.
Table 1 表
1探测器参数
Focal plane array parameters
Pixel number
640 x512Pixel size15 um x 15 umSpectral range3.7 um 〜4. 8 um
Gnumber2TypeCooled FPA
58
红外与毫米波学报
38卷
Table 2 表
C光学系统参数
Optical system parameters
6Field of view Focal length
91.4mm-330 mm
。-2. 10
Entrance pupil Zoom Ratio( FOV)F numberdiameter
3 mm-165 55xmm
2
Note1Note100T2
continuous
cold-shield zoom
match2.2
光学系统设计结果
系 图如图2所示.
图2
光学系统光路图
Fig. 2
Optical system layout
图2中，从上
为从长焦经中焦
焦的系
图.每幅图中从左至右 ： 1是
， 2是变 1， 3是补偿组，镜
4是变 2， 5〜6是
，
7〜8
是中 像
.其中，
焦度的 于会聚收
，以便压 ，
大 的：
像差.系
口径最大的 中
使用非及 ，以便采
为
的加工工艺、
保证精度的同
工 .变 1和变
2均为 焦度的锗透镜，材料高色散、
率的 ，
变焦
度的主 .在变 程中，变
1和变倍组2像 物
动，实 焦
焦的改变.通过
二个变
联的
，可有效扩大系统的变倍比，
获取大变 的变焦系统.
补偿 为 焦 度的 透 ， 从 焦 焦
的变焦过程中，向探 动， 材料低色、 率的
，主
于与变
的锗材料互
补，实
色差以及补偿本系 变焦过程中产
生的像差，保证整个变焦过程中共轭距不变，实现 最终像面位置的补偿.
中 像
系统的 像到探测器的
，以实现100T
，降低
的影响，提系
灵敏度.
系统使
二种材料进行
，
焦度
使
材料，
焦度
使
材料，经验
表明，这种 的设计 可使色差有
.
外， 系 非 二 ，
以便给系 计提供
的自由度，有助于、色
、像 像差的
，扩大 .设计结果表
明 ， 非
二 的
， 可以 有 系， 系体积，
数目.
优 计，本系 透 ，材料均
为
， 总重量1700 .
总长恒定
为418 mm，从 一至探
焦
为460
mm，最大
口径168 mm.在整个变焦过程中，系
G数恒定为2.由于系统变 极大，且为大系统，因 学系 计难度极大.
于二
的色
与普通红外折射材料的
，可互 ；另外，二产生 ，还可以
大
变)941].因，为
色差及其它像差的影响，进一步提像
质，本系
中继成像
中使用了两
个二
.
于二
，需 确定其中心波长、
材料
率、 ，然分析其
深度、衍射
、
率参数，以 断 是否可
以加工.其中，
深度可按
计算：
# N ^max N + A_ 1
. ( 23 )
本文例中，材料折射率+0 = 4. 022 78，中心波长
A=4.2 \"m，
深度可算出为#= 1.389 \"m.
#期
于洋等
\"大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统研制
59
于二
而言， 率是非常关键
的指标.对于表面连续 结构的
，>
的
率与波长的关系为)12]:
2 %
0
、
sin2[$(%% -%
>)]
.(24)
基于上述公式，分析了所使用的 工波 的衍射效率的影响，按中心波长4.2 \"m，波段为3.7〜4.8 \"m，1
的条件，二个衍整个工作波
，
率
94T以
上2.，满足系统需求.
3光学系统像质评价
系统MTF曲线图和点列图如图3所示.从图3变焦光学系统的像 图中可见，本系 大部分焦距位置的中 MTF曲线，在奈频率33 lp/mm的数值 0.5以上，短焦有
，但然 〇.， 外视场的MTF曲上
有下降，因
为整体像
2.4
.曲线系统变焦 图4所示.在图4中，从 上
的三条 是变
1(
2)、补偿组（镜片
3)、变
2(
4)的运动轨迹.图4中，横
表系统焦距，纵
表
动
.由图4可
，系统的三 动 的变焦 滑流畅，变 1的最大行程为76. 42 mm，补偿组的最大行程为 121. 12 mm，变 2的最大行程为25. 88 mm，三组
运动
的运动
滑流畅，没有明显拐点，易
于工程实现.
3头验结果所设计的大
大变
红外变焦光学
系统进行了实 工装调，并拍摄了远处的城市楼房外 像图片.夕卜 像结果如图5所示.
角
图5(a)，看远处城市景像全 貌，获得大空
像视野.在长焦
图5(1,能
角端完全看 楚的细节物体放大观察.比如图
5(1显示 焦距330 mm的长焦位置，观察远处的建筑工地，
看楚探照灯、楼房窗户之外，
连脚手架的细钢筋
晰成像.
从短焦
焦的变焦过程中，
图5(b)、
(g)、（h)
远某大楼进行了变焦放大成像，图3
光学系统像质评价图
Fig. 3
Optical system MTF and spot diagrams
像质保持清晰;又比如图5(?、（g)、（i)依次显示了 远处某工地的脚手架钢筋细节的变焦观察效果， 大率逐渐增大，像 然 .
上可 ， 从焦 6 mm 的 角 ， 焦 330 mm的长焦端，该系 外
物实
为清
晰的 像.
4结语综上，研
一套G数恒定为2且变
，
高达55 的中波红外连续变焦成像系统，变焦
60
红外与毫米波学报
38卷
日
日/蜓圈标绝
0 50 100 150 200 250 300 350
焦距/mm
图4系统变焦曲线图
Fig. 4 Optical system cam curves
(a) f=6 mm
(b) f=40 mm
(c) f=80 mm (d) f=40
(i) f=330
图5夕卜 像图片Fig. 5 Out-door imaging results
平滑，在从6 mm至330 mm的焦距范围内实测成像
效果优良.
变焦模型理论的基础上，增
加了 1个立变 ，通 2个变 1个补偿
的新型变焦 ，获
的变
，光学系统设计结果以及实 像效果图显示，这
计
是
行之有效的.
研究成果，可
一代红外搜索跟
踪系统中，使系统既
根据需要切换
的，获得更远的探 、对重点目标以 的分辨率成像;又
恢 大的 搜索或者凝
像，实 大的空域警戒覆盖，更及
感
兴趣目标， 系
间.该技术
空、搜索、跟踪、侦察以及警戒等诸
有
的应用
价值.
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