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摘要： 对于320×256非制冷焦平面阵列探测器（像元尺寸25 μm×25 μm），设计了工作在8～12 μm波段折射式红外连续变焦光学系统。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50～150 mm，光学筒长209.5 mm。该系统由5片透镜构成，并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法，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。系统在空间频率为20 lp/mm 处，各个视场的MTF均在0.5以上。
关键词： 光学设计； 红外变焦； 折/衍混合
中图分类号： TN 21文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.007
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[1]。
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物镜的结构型式。这样做有两点好处：（1）第4片透镜的通光口径较大，为了让光线逐渐会聚，所以用两片正透镜。为了避免入射光线在透镜表面的入射角过大（入射角过大，系统的像差不好校正），所以第4片透镜和第5片透镜间距相对较大。同时，第4片透镜与第5片透镜的光焦度分配要合适。（2）第5片透镜的作用类似于场镜，放在像面附近。它具有校正场曲，平衡系统像散的作用。
与可见光波段的材料相比，红外材料的透过率略低。同时要考虑材料对光线的吸收，所以尽可能减少透镜片数是很有必要的。通过合理使用非球面和衍射面，能减少透镜的片数，并且对像差校正也有好处，进而使整个系统结构简单、紧凑。
最终优化得到的长波红外连续变焦光学系统的结构示意图，如图1所示，依次为短焦位置、中焦位置和长焦位置，系统总长209.5 mm，后工作距离10 mm。光学系统在各个孔径处的球差和位置色差，如图2所示。由于系统引入了衍射面和非球面，可以看到在球差和色差得到很好校正。
3结论
设计了工作在8～12 μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统仅由5片透镜构成，采用负组补偿的型式。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50～150 mm，光学筒长209.5 mm。该系统仅使用锗这一种材料，通过引入偶次非球面和衍射面，从而使系统结构简化，并提高了成像质量。系统在空间频率为20 lp/mm 处，各个视场的MTF均在0.5以上。单点金刚石车削的加工工艺已经成熟，非球面及衍射元件可以很好地应用在红外光学系统当中。该光学系统可以广泛应用于前视红外系统及红外扫描成像系统中。
参考文献：
[1]陈津津，赵劲松.一种紧凑型折射式红外搜索/跟踪光学系统设计[J].红外技术，2008，30（5）：279-282.
[2]林大键.工程光学系统设计[M].北京：机械工业出版社，1987.
[3]FISHER R E，GALEB B T.Optical system design[M].New York：McGraw Hill，2000：128-198.
[4]孙强，刘宏波，王肇圻.红外折射/衍射超常温光学系统[J].光子学报，2003，32（4）：466-469.
[5]范长江，王肇圻，吴环宝.红外双波段双层谐衍射光学系统设计[J].光学学报，2007，27（7）：1266-1270.
[6]王肇圻，张轶楠，傅汝廉，等.折/衍混合 Petzval光电摄像物镜设计[J].光学精密工程，2005，13（1）：1-4.
[7]崔庆丰，匡裕光.混合复消色差透镜组的设计原理[J].光学学报，1995，15（4）：449-503.
[8]梁宜勇，杨国光.衍射光学器件的激光辅助制造[J].光学仪器，2002，24（5）：86-90.
关键词： 光学设计； 红外变焦； 折/衍混合
中图分类号： TN 21文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.007
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[1]。
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物镜的结构型式。这样做有两点好处：（1）第4片透镜的通光口径较大，为了让光线逐渐会聚，所以用两片正透镜。为了避免入射光线在透镜表面的入射角过大（入射角过大，系统的像差不好校正），所以第4片透镜和第5片透镜间距相对较大。同时，第4片透镜与第5片透镜的光焦度分配要合适。（2）第5片透镜的作用类似于场镜，放在像面附近。它具有校正场曲，平衡系统像散的作用。
与可见光波段的材料相比，红外材料的透过率略低。同时要考虑材料对光线的吸收，所以尽可能减少透镜片数是很有必要的。通过合理使用非球面和衍射面，能减少透镜的片数，并且对像差校正也有好处，进而使整个系统结构简单、紧凑。
最终优化得到的长波红外连续变焦光学系统的结构示意图，如图1所示，依次为短焦位置、中焦位置和长焦位置，系统总长209.5 mm，后工作距离10 mm。光学系统在各个孔径处的球差和位置色差，如图2所示。由于系统引入了衍射面和非球面，可以看到在球差和色差得到很好校正。
3结论
设计了工作在8～12 μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统仅由5片透镜构成，采用负组补偿的型式。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50～150 mm，光学筒长209.5 mm。该系统仅使用锗这一种材料，通过引入偶次非球面和衍射面，从而使系统结构简化，并提高了成像质量。系统在空间频率为20 lp/mm 处，各个视场的MTF均在0.5以上。单点金刚石车削的加工工艺已经成熟，非球面及衍射元件可以很好地应用在红外光学系统当中。该光学系统可以广泛应用于前视红外系统及红外扫描成像系统中。
参考文献：
[1]陈津津，赵劲松.一种紧凑型折射式红外搜索/跟踪光学系统设计[J].红外技术，2008，30（5）：279-282.
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[6]王肇圻，张轶楠，傅汝廉，等.折/衍混合 Petzval光电摄像物镜设计[J].光学精密工程，2005，13（1）：1-4.
[7]崔庆丰，匡裕光.混合复消色差透镜组的设计原理[J].光学学报，1995，15（4）：449-503.
[8]梁宜勇，杨国光.衍射光学器件的激光辅助制造[J].光学仪器，2002，24（5）：86-90.