一種緊湊型大變倍比紅外三視場光學系統

李文強* 趙克軍 趙 翔

（中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

紅外工作波段是機載光電探測系統使用最多的波段，利用溫差對進行目標探測，能夠晝夜使用。通常光學系統一般設計有多個視場，滿足不同使用功能，大視場可用于導航，中視場用于發現目標，小視場用于遠距識別。多視場一般為切換幾組透鏡或連續變焦的方式實現，陳呂吉等人介紹了多種實現多視場紅外光學系統的構型[1]，張良等人采用衍射面實現了中波和長波多視場光學系統[2]，馬迎軍等詳細介紹了連續變焦光學系統像差設計方法[3]，透射式光學系統口徑一般小于150mm。通過反射式系統可以提高光學系統口徑，提高作用距離，常用的有卡式、離軸三反、離軸四反等構型[4-7]，反射式系統可實現光學系統長焦高分辨設計，但難以兼顧大視場使用。透射式光學系統難以實現長焦設計，同時整個系統光路較長，反射式系統可實現長焦緊湊化設計，但是難以實現光學大視場設計，本光學設計通過綜合透射式系統和反射式系統的各自特點，提出了一種切換卡式次鏡的三視場光學系統，實現了光學系統長焦設計，同時實現了30 倍的大變倍比，滿足大中小視場觀測需求，光學系統總長約為焦距三分之一。

1 設計過程

中波紅外光學系統采用640×512 制冷型探測器。

紅外制冷型探測器冷光闌位于探測器內部，光學系統設計時需要把光闌設置于冷光闌處可實現100%光闌匹配。光學系統一般為二次成像模式，光學系統采用三視場共用一次像點后會聚目鏡組，通過改變物鏡組的焦距實現視場變倍。長焦視場采用卡式反射鏡作為物鏡組，中、短焦視場采用透射式物鏡組構型，兩組切換物鏡組位于次鏡處，通過旋轉形式實現，保證在旋轉過程中重心位置基本不變。主次鏡采用鋁材料，和結構材料相一致，鋁反射鏡安裝形式較簡單，并有更好的溫度適應性，透鏡材料為硅和鍺，其中硅折射率大、色散小作為正透鏡，鍺色散大作為負透鏡。

機載光電系統工作在-40℃～+60℃溫度范圍內，大的溫度變化會導致光學鏡片的厚度、間隔、曲率半徑以及光學材料的折射率發生改變。光學系統的焦點隨溫度變化發生漂移，探測器像面偏離最佳焦面。該光學系統設計時三個視場通過同一組調焦鏡組實現三個視場溫度補償。調焦鏡組設置在會聚鏡組中。固定會聚目鏡組位于主鏡開孔處，可壓縮整個光學系統，總長和主次鏡間距相當。

2 設計結果

通過光學傳遞函數評價光學系統成像質量，在-40℃～+60℃工作溫度范圍內，中波紅外三個視場的光學傳函離衍射極限下降小于0.1，可滿足全溫度范圍使用要求。

畸變會影響成像的視覺效果，光學設計時需要控制畸變在合理的范圍內。圖1～3 為三個視場的畸變網格圖，全視場范圍內畸變均小于3%，滿足成像使用要求。

圖1 紅外長焦光路畸變圖

圖2 紅外中焦光路畸變圖

圖3 紅外短焦光路畸變圖

3 結論

通過切換卡式次鏡的方式實現了大變倍比的紅外三視場光學系統。三個視場共用相同會聚鏡組，綜合了反射式和透射式光路的優點，實現了光學系統緊湊化設計。三視場共用一個調焦鏡組，在-40℃～ +60℃溫度范圍內，成像質量良好，滿足機載設備溫度范圍變化大的使用要求。整個系統長度約為焦距三分之一，符合機載光電探測設備小型化、輕量化的需求。