红外变焦光学系统设计.pdf

第34卷第3期
光学仪器
Vol 34, No. 3
2012年6月
OPTICAL INSTRUMENTS
June, 2012
文章编号:1005-56302012)03-0033-05
红外变焦光学系统设计“
王巍,崔庆丰,费冰,杜妍,段庸
长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022)
摘要:对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25nX25pm,设计了エ作在8~12pm
波段折射式紅外逹蛱变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比
为3:1,焦距50~150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构威,并且仅使用错一种材
料。该系统采用机械补的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像
质量。系统在空闯频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。
关键词:光学设计g红外变焦;折/衍混合
中图分类号:TN21文献标识码:Adoi:10.3969/iss1005-530.2012.03.007
Idesign of infrared zoom optical system
WANG Wei, CUI Qing feng, FEI Bing, DU Yan, DUAN Yong
( Department of Optoelectronic Engineering, han chun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
Abstract: An infrared zoom optical system in the long wave 8-12 um region was designed
The detector was a 320 256 focal plane array (FPA)with a pixel pitch of 25 m The optics
was a 3: 1 f/1 zoom lens, the effective focal length ranges from 50 mm to 150 mm and the total
length of the system was 209. 5 mm The relative aperture was invariant during the zoom
process. The systern had only five elements whose material was all but germanium. By using
mechanical compensation, the binary surface and aspheric surface were used to simplify the
configuration; as a result, the volume was decreased and the image quality improved The
image quality evaluation result shows that the MTF is higher than 0.5 in all field of view at the
spatial frequency 20 lp/mm.
Key words: optical design infrared zoom system diffractive/refractive system
引言
变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化,而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径基
本不变,并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。连续变焦的红外光学系统不仅可兼顾大视场搜索
和小视场瞄准跟踪的要求,而且还可以解决两档或多档镜头由于视场切换,在短时间内对快速运动的目
标丢失这一-缺陷。红外技术在医疗、工业方面等也得到了广泛的应用。它可以发现人体温度的微小差
异,因而可用来诊断与体温有关的许多疾病。在工业方面,可用于工业热故障探测、热能耗散、无损检测
等领域。所以设计红外变焦镜头具有一定的现实意义
收稿日期:2011-11-17
作者简介:王(1987-),男,吉林长春人,硬士研究生,主要从事光学设计方面的研究。
万方数据
光学仪器
第34卷
针对320×256长波红外非制冷型面阵探测器(像元尺寸25pmX25m),采用机械补偿的设计结构
(负组补偿),仅用五片透镜,光学筒长小于210mm。系统变焦过程中相对孔径保持不变,F/#为1,变倍
比为3:1,焦距50~150mm。该系统仅使用一种普通红外材料,引入了两个偶次非球面和一个行射面
减小了系统的筒长和重量,并且还提高了成像质量。该系统在空间频率20lp/mn处,MTF均大于0.5。
1变焦距系统的原理
现设计的变焦距镜头采用机械补偿?。系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成。其中后
固定组对系统变焦没有贡献,它主要用来校正系统像差,同时起到调整系统光学筒长的作用。系统设计
首先是外形尺寸的计算,即高斯解的求取。根据高斯计算,得出各个组元的焦距和组元之间的移动量。
然后缩放焦距,用实际的透镜组代替。如果出现透镜组之间碰撞或间距过短,则要考虑重新进行高斯计
算。好的高斯解对整个系统的后期优化有着重要的作用。
2光学系统设计
2.1光学设计参数
该长波红外连续变焦光学系统采用320X256非制冷焦平面阵列探测器,り,其像元尺寸为
25m×25m。红外连续变焦光学系统的设计指标:工作波段为8~12m,系统的变倍比为3:1,焦距
变化范围从50~150m,F/#为1,探测器对角线尺寸为11mm,在短焦位置视场角为4°,在长焦位置视
场角为12.6°。
2.2引入衍射面和非球面
设计一个衍射光学元件关键在于确定描述衍射光学元件的相位多项式系数。相位多项式确定了出
射波前的形状,旋转对称型衍射光学元件的相位函数在 Zemax软件中用多项式进行描述
A(r)=2m(Air+Ar+Agr6+.)
式(1)中,r是归一化的半径坐标,A,是第2次项系数。A1项用于光学系统色差的校正,其他各项A2、A3
项相当于非球面的作用,可用于系统单色像差的校正。衍射元件不产生场曲(Sy=0),并且具有负的色散
特性,其表达式为
式(2)中,入n表示中心波长,ん表示长波,入表示短波,v表示阿贝数。系统工作在长波红外波段,所以取
n=10am,=12pm,=8gum,可知对于长波红外ッ=ー2.5。由于阿贝数是负值,所以它对系统校正
色差十分有效门。尽管错在长波红外波段的阿贝数比较大(=960),对校正色差有一定的作用,但由于系
统在长焦时焦距比较大,所以采用衍射元件来校正色差是很有必要的。
由于系统的F数比较小,入瞳直径比较大,对于球差相对较难校正,因此在系统中引人偶次非球面是
十分有必要的。偶次非球面,其表达式为
+Ar+Bri+Drio+
(3)
1+1-(1+k)2
式(3)中,c为曲率,是为圆锥系数,r仍为归一化的半径坐标,A,B,D等为非球面系数。通过引人偶次非
球面,把A,B,D设为变量优化,有效地校正了系统的像差,从而提高了成像质量。
2.3设计结果分析与像质评价
由于该系统的变倍比不大,并且考虑到尽可能小的光学系统筒长,因此采用负组补偿的结构型式为
宜。对于后固定组,它主要是为了校正系统的像差。这里应用两片透镜,类似于 Petzval 2物镜的结构型