吳海清，王瑋超

機(jī)載小型化中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009）

為適應(yīng)機(jī)載光電系統(tǒng)對紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)小型化、輕量化的要求，采用前端無焦擴(kuò)展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)組合的方式，實(shí)現(xiàn)了30～660mm的22倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的光學(xué)總長為244mm，總長/最大焦距比為0.37，系統(tǒng)具有光學(xué)總長小、變倍比大的特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測的大型機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中。將前端無焦擴(kuò)展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)15～330mm的22倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光學(xué)總長為138mm，總長/最大焦距比為0.42，可作為獨(dú)立的連續(xù)變焦系統(tǒng)應(yīng)用于近距離目標(biāo)探測的中小型機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)結(jié)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(yīng)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(yīng)用需求。

小型化；光學(xué)設(shè)計(jì)；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(jīng)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(guān)。因此，紅外成像可以實(shí)現(xiàn)白天及夜間的全天時(shí)成像，具有全天候目標(biāo)探測、識(shí)別的能力，此外由于其屬于被動(dòng)成像，具有不易被干擾、識(shí)別偽裝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在直升機(jī)、固定翼飛機(jī)、無人機(jī)等機(jī)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(biāo)搜索、跟蹤、探測及識(shí)別以及武器引導(dǎo)與打擊效果評估等作戰(zhàn)任務(wù)，已成為光電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置之一[1-3]。

定焦紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距固定，難以滿足對不同距離處目標(biāo)的探測、識(shí)別要求。連續(xù)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)在短焦?fàn)顟B(tài)下視場大，其成像收容面積大；在長焦?fàn)顟B(tài)下視場小，其成像分辨率高。應(yīng)用在機(jī)載光電系統(tǒng)中，大視場可用于大范圍的目標(biāo)搜索，小視場可用于對目標(biāo)進(jìn)行詳查與識(shí)別、跟蹤及瞄準(zhǔn)。此外，由于連續(xù)變焦成像系統(tǒng)在進(jìn)行焦距變化時(shí)始終保持對目標(biāo)清晰成像，因此，在對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤或瞄準(zhǔn)時(shí)，可根據(jù)觀察需要進(jìn)行焦距調(diào)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(biāo)的穩(wěn)定跟蹤而不丟失，從而有效提高了人機(jī)功效[4-6]。

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

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

文中針對目前廣泛應(yīng)用的640×512元制冷型紅外探測器進(jìn)行連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探測器像元尺寸為15mm×15mm，響應(yīng)波段為3.7～4.8mm，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)思路

圖1所示為光學(xué)系統(tǒng)的組成圖，采用前端無焦擴(kuò)展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)組合設(shè)置的方式，兩部分獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)采用三組元機(jī)械補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)型式，有效縮短了光學(xué)系統(tǒng)長度，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。前端為2′無焦望遠(yuǎn)鏡，用來擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)焦距，在設(shè)計(jì)時(shí)，前端望遠(yuǎn)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(kuò)展倍鏡將后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距增加為原來的2倍，實(shí)現(xiàn)長焦化，適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測的大型機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中。將前端無焦擴(kuò)展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)可作為獨(dú)立的連續(xù)變焦系統(tǒng)用于近距離目標(biāo)探測的中小型機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中。

圖1 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)組成

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

圖2 機(jī)械正組補(bǔ)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(dòng)后的倍率。

變倍組與補(bǔ)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(bǔ)償組變焦移動(dòng)后的倍率分別為：

變倍組的移動(dòng)量：

補(bǔ)償組的移動(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)，補(bǔ)償組的焦距不宜過長或過短，過長時(shí)補(bǔ)償像面位移需要的補(bǔ)償量太大，不利于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，過短時(shí)補(bǔ)償組負(fù)擔(dān)的相對孔徑太大，像差校正困難，補(bǔ)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(shí)，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(shè)短焦時(shí)23＝6，根據(jù)公式(1)～(9)得出系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(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(shè)計(jì)結(jié)果及像質(zhì)評價(jià)

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

采用機(jī)械正組補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)模型，在建立初始模型并縮放后利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。由于該系統(tǒng)短焦視場較大，軸外像差和高級(jí)像差都比較大。針對高級(jí)像差校正，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在一次像面位置處設(shè)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(dá)像面，可有效降低雜散光對光學(xué)系統(tǒng)成像的影響，提高了信噪比。在光學(xué)系統(tǒng)出瞳處設(shè)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(shù)與探測器F數(shù)相同，實(shí)現(xiàn)100%冷光闌效率，因此，不會(huì)出現(xiàn)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(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)如圖3～圖6所示，在增加擴(kuò)展倍鏡后，可實(shí)現(xiàn)焦距在30～660mm范圍內(nèi)連續(xù)變化的22倍連續(xù)變焦功能，該系統(tǒng)的光學(xué)總長為244mm，總長/最大焦距比為0.37，具有光學(xué)總長小、變倍比大的特點(diǎn)；將前端無焦擴(kuò)展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)焦距在15～330mm范圍內(nèi)連續(xù)變化的22倍連續(xù)變焦功能，該連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)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(shí)的光路圖

圖4 焦距為330mm時(shí)的光路圖

3.2 像質(zhì)評價(jià)

對于成像光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）是像的調(diào)制度與物的調(diào)制度之比，它是空間頻率的函數(shù)，能夠表示出在各個(gè)頻率分量上目標(biāo)背景經(jīng)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(xì)節(jié)傳遞情況、層次傳遞情況和輪廓傳遞情況，是成像光學(xué)系統(tǒng)性能判據(jù)中最全面的判據(jù)。圖7、圖8為本文光學(xué)系統(tǒng)在未增加倍鏡的情況下，短焦15mm、長焦330mm時(shí)的MTF曲線，由圖可見，在640×512制冷探測器對應(yīng)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(jī)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(nèi)，該光學(xué)系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用要求。

圖9、圖10為本文光學(xué)系統(tǒng)在增加倍鏡后，短焦30mm、長焦660mm時(shí)的MTF曲線，由圖可見，在640×512制冷探測器對應(yīng)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(yīng)用要求。

在幾何光學(xué)的成像過程中，由于光學(xué)系統(tǒng)存在像差，導(dǎo)致由物面上一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像之后，在像面上不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的幾何像斑，稱之為點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖為像質(zhì)評價(jià)提供了依據(jù)，用點(diǎn)列圖來評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)是一種方便易行的方法。光學(xué)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(xué)系統(tǒng)在未增加擴(kuò)展倍鏡的情況下，短焦15mm、長焦330mm時(shí)的點(diǎn)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(yīng)用要求。

圖5 帶增倍鏡焦距為30mm時(shí)的光路圖

圖6 帶增倍鏡焦距為660mm時(shí)的光路圖

圖7 焦距為15mm時(shí)的MTF

圖8 焦距為330mm時(shí)的MTF

圖9 帶擴(kuò)展倍鏡焦距為30mm時(shí)的MTF

圖10 帶擴(kuò)展倍鏡焦距為660mm時(shí)的MTF

圖13、圖14為本文光學(xué)系統(tǒng)在增加擴(kuò)展倍鏡后，短焦30mm、長焦660mm時(shí)的點(diǎn)列圖，由圖可見，該光學(xué)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(yīng)用要求。

在連續(xù)變焦鏡頭結(jié)構(gòu)中，通常采用變焦凸輪來帶動(dòng)變倍組與補(bǔ)償組進(jìn)行移動(dòng)，變倍組和補(bǔ)償組兩個(gè)透鏡組分別裝在兩個(gè)滑架上，每個(gè)滑架上固定一個(gè)導(dǎo)釘，導(dǎo)釘沿凸輪曲線槽運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)滑架的導(dǎo)釘便沿著各自的導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)變倍組和補(bǔ)償組沿光軸方向按預(yù)定關(guān)系移動(dòng)，從而使得鏡頭焦距發(fā)生改變。該機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、控制簡單、可靠、無跳動(dòng)、空回小等優(yōu)點(diǎn)。而變焦凸輪曲線槽是在數(shù)控機(jī)床中通過變焦曲線數(shù)據(jù)加工而成，因此，對于連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，變焦曲線的擬合是連接光學(xué)設(shè)計(jì)與光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖15為該變焦光學(xué)系統(tǒng)變倍組、補(bǔ)償組的變焦運(yùn)動(dòng)曲線圖，其中，橫坐標(biāo)為光學(xué)系統(tǒng)的焦距，縱坐標(biāo)為變倍組、補(bǔ)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(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)均平滑、連續(xù)，沒有拐點(diǎn)，可有效避免系統(tǒng)在變焦運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。

圖11 焦距為15mm時(shí)的點(diǎn)列圖

圖12 焦距為330mm時(shí)的點(diǎn)列圖

圖13 帶擴(kuò)展倍鏡焦距為30mm時(shí)的點(diǎn)列圖

圖14 帶擴(kuò)展倍鏡焦距為660mm時(shí)的點(diǎn)列圖

圖15 光學(xué)系統(tǒng)變倍組、補(bǔ)償組變焦運(yùn)動(dòng)曲線

4 結(jié)論

本文采用前端無焦擴(kuò)展倍鏡與后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)組合的方式，增加擴(kuò)展倍鏡后實(shí)現(xiàn)了30～660mm的22倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光學(xué)總長為244mm，總長/最大焦距比為0.37，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具有光學(xué)總長小、變倍比大的特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測大型機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中。將前端無焦擴(kuò)展倍鏡去掉后，后端連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)15～330mm的22倍連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，該連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)總長為138mm，總長/最大焦距比為0.42，可作為獨(dú)立的連續(xù)變焦系統(tǒng)用于近距離目標(biāo)探測的中小型機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中。根據(jù)任務(wù)設(shè)備的不同需求，可以通過增加或去掉前端擴(kuò)展倍鏡的方式，適應(yīng)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(shù)風(fēng)險(xiǎn)及研制費(fèi)用，擴(kuò)大了產(chǎn)品的適用范圍，延長了產(chǎn)品壽命周期，在機(jī)載光電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 王嶺雪, 蔡毅. 紅外成像光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)展與展望[J]. 紅外技術(shù), 2019, 41(1): 1-10．

WANG Lingxue, CAI Yi. Recent progress and perspectives of infrared optical systems [J]., 2019, 41(1): 1-10.

[2] 吉書鵬. 機(jī)載光電載荷裝備發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 航空兵器, 2017(6): 3-12．

JI Shupeng. Equipment development of airborne electro-optic payload and its key technologies[J]., 2017(6): 3-12．

[3] 黃俊, 張正勇, 田省民. 機(jī)載對地光電探測設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J]. 紅外技術(shù), 2018, 40(5): 412-416．

HUANG Jun, ZHANG Zhengyong, TIAN Shengmin. Current status and development trend of airborne air to ground electro-optical detection equipment[J]., 2018, 40(5): 412-416.

[4] 王向軍, 王敏. 適用于無人機(jī)小型吊艙的變焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光電工程, 2013, 40(1): 139-144.

WANG Xiangjuna, WANG Min. A zoom system design suitable for miniaturization of UAV pod[J]., 2013, 40(1): 139-144．

[5] 薛慧, 李常偉. 紅外中波連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2012, 31(5): 421-424.

XUE Hui, LI Changwei. Optical design of infrared continuous-zoom lenses[J]., 2012, 31(5): 421-424．

[6] 吳海清, 李同海, 趙新亮, 等. 大靶面中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紅外, 2019, 40(1): 7-10.

WU Haiqing, LI Tonghai, ZHAO Xinliang, et al. Design of large imaging plane middle wave infrared continuous zoom optical system[J]., 2019, 40(1): 7-10.

[7] 王之江. 實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007: 429-430.

WANG Zhijiang.[M]. Beijing: China Machine Press, 2007: 429-430.

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(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槌上窆鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: whqcust@163.com。