红外系统光学系统

中波红外连续变焦光学系统

红外成像技术由于具有众多优势而应用于侦查、制导等军事领域。连续变焦光学系统是解决大视场搜索小视场分辨的最佳途径。因此对红外连续变焦光学系统的需求会日益增强。本文将介绍中波红外连续变焦光学系统的设计方法，并给出设计实例。设计采用中波红外凝视型焦平面320 μm×240μm像元制冷探测器，探测器像元为30μm×30μm。系统工作波段为3.7~4.8μm；焦距变化范围20~200 mm；F数为2.5；像高12 mm。

光学补偿型的工作方式是变倍组固定，通过聚焦组与补偿组的移动来实现系统焦距的变化，像面位置在变焦过程中有漂移，如图1所示。聚焦组与补偿组的移动是同方向等速度的，只需用机械把两镜组连在一起作线形移动即可，因此其机械结构简单、不需要凸轮。不过镜组必须移动到某些特殊的位置才能得到稳定清晰地像面。适用于变倍范围和数值孔径较小的系统。

机械补偿型的工作方式是聚焦组固定，变倍组与补偿组按不同的运动规律作较复杂移动以实现变化焦距，像面位置在变焦过程中保持稳定，如图2所示。机械补偿法可以实现焦距连续变化，但其机械结构复杂、凸轮加工难度大。不过随着机械加工工艺的提高，机械补偿法的优势越来越明显。故选择机械补偿式的变焦系统。

共口径双通道红外扫描成像光学系统

该系统包括前端共用的双反射系统、分束镜、准直镜组、扫描镜和成像镜组。光波经过双反射系统在主镜之后被分束镜分成中波红外通道（3μｍ～5μｍ）和长波红外通道（10μｍ～12μｍ），经准直镜组及成像镜组会聚探测器上，实现中波红外系统与长波红外系统共口径同步成像。

长波红外光学系统设计

①共用结构两反系统

对于两反系统，主镜相对口径的选择主要和两反系统的相对口径有关。若两反系统焦距较长，主镜相对口径可以取小一些，即焦距长一些，容易加工。若两反系统焦距较短，主镜的焦距也就越短，在口径一定的情况下，主镜焦距越短，主镜的相对口径就越大，从缩短镜筒长度来说，当然主镜相对口径越大越有利，但加工难度增加，加工难度同相对口径的立方成正比，所以两反系统的相对口径不能取得太小。

图3 双反射光学系统

考虑到系统结构尺寸应尽量小，在保证主镜焦比合理、焦点伸出量也一定的情况下，遮拦比与次镜的放大率成反比，如果两反系统的Ｆ数取值过小，必然导致次镜对主镜的放大率较小，最终导致遮拦比过大，中心遮光损失太大，尤其是对于红外系统，接收的能量本来就很紧张。综合考虑，取两反系统相对口径为1:4主镜相对口径1:0.9。

②长波红外准直镜组

准直镜组与前面共用的两反系统组成一个望远系统，本系统采用普通的三片式结构可以满足要求。对于长波红外可选的玻璃材料较为有限，本系统中只采用了一种玻璃——锗。

图4 长波红外准直系统

红外R-C光学系统设计

R-C系统是由两块反射镜组成的共轴双反射镜系统。它具有如下优点: 1) 利用反射镜折叠光路, 缩小了镜头的体积和减轻了重量; 2) 它完全没有色差; 3) 可以在紫外到红外的很大波长范围内工作; 4) 反射镜的镜面材料比透射镜的材料容易制造, 特别是对大口径零件更是如此。因此, R-C 系统广泛的应用在大型天文望远系统、航天光学遥感、紫外和红外仪器以及聚光照明等方面。另一方面, 经典的R-C系统的视场受限于彗差, R-C系统可以消除初级彗差, 而像散却不能消除, 因而, 视场不可能很大。

图5 红外光学系统结构图

R-C 光学系统的初始结构如图5。这里在R-C 系统后加了一个负一倍透镜组, 它的作用是使系统的出瞳与热像仪的冷屏尽量相重合。这样做的好处是使背景杂光、镜筒热辐射杂光不能入射到热像仪的靶面上, 避免造成干扰, 提高信噪比。