秦志鵬，車新宇，肖穎

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

由于紅外光譜的輻射和傳輸特性，使紅外光學(xué)系統(tǒng)具有一定的穿透煙、霧、霾等限制的能力，還具有環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性好、能在一定程度上識別偽裝目標(biāo)的優(yōu)點。焦距可變的紅外光學(xué)系統(tǒng)可以在短焦大視場時對大范圍掃描，同時也可在長焦時進(jìn)行小范圍的仔細(xì)觀察，克服了傳統(tǒng)的定焦光學(xué)系統(tǒng)換鏡頭導(dǎo)致的像不連續(xù)，短時間目標(biāo)丟失的缺點［1，2］?；谝陨蟽?yōu)點，近年來，對紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的需求日益增強。本文設(shè)計了結(jié)構(gòu)緊湊的長波紅外連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)。同時將ZEMAX宏程序給出凸輪曲線數(shù)據(jù)和形狀的方法應(yīng)用到本設(shè)計中［3］，這種方法具有不受限于高斯光學(xué)計算，能夠滿足某些焦距位置離焦要求的特點。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 光學(xué)設(shè)計指標(biāo)要求

該長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)采用384×288非制冷焦平面陣列探測器［4］，像元尺寸為25μm×25μm。該系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)要求，如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

1.2 光學(xué)設(shè)計思想

本設(shè)計的相對孔徑較大、焦距較長，在這種情況下為使光學(xué)筒長較短，采用機械補償中有利于減小總長的負(fù)組補償形式；由于紅外材料的透過率較低，應(yīng)用較少的透鏡數(shù)量，以提高到達(dá)像面的能量；利用衍射面具有負(fù)阿貝數(shù)的色散特性來校正色差［5］，將衍射面設(shè)置在前固定組的后表面，因為前組的色差會被后面的組元放大，因此在前組消色差。在光闌附近引入非球面，用來校正單色像差。為使相對孔徑不變，將光闌放在后固定組的前表面上；編寫適用于二組元變焦的ZEMAX宏程序，變焦系統(tǒng)的凸輪曲線的形狀和數(shù)據(jù)由ZEMAX宏程序給出。

1.3 設(shè)計結(jié)果

按照以上的技術(shù)指標(biāo)要求，根據(jù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計理論負(fù)組補償?shù)挠嬎惴椒ǎ?］，通過分配合理的光焦度和間隔初始值，分別求出各組元的焦距與它們之間的距離，而后用光學(xué)設(shè)計軟件對每個組份分別優(yōu)化，最后將各組元組合在一起再次優(yōu)化，得到負(fù)組補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。整個系統(tǒng)分為四部分，前固定組、變倍組、補償組和后固定組，共有五片透鏡組成，其中后固定組為兩片透鏡，其余各組均僅為一片，所有透鏡材料均為鍺，包括一個衍射面和兩個非球面，第一片透鏡的后表面為衍射面，第三片后表面和第四片前表面為非球面，第一片后表面的衍射面用來校正軸上和軸外點的色差，第三、四片的非球面使高級球差和其他單色像差得到校正。光闌放在后固定組的前表面上，在焦距變化的過程中光闌大小不變。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 像質(zhì)評價與分析

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是評價光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要方法，是對比度和分辨能力的反映［7］，圖2給出了短焦、中焦和長焦時MTF曲線圖。從圖中可看出系統(tǒng)在尼奎斯特頻率為20lp/mm處時，各結(jié)構(gòu)所有視場的MTF值均大于0.4。因此本設(shè)計在全焦距范圍內(nèi)有良好的成像質(zhì)量。

圖3分別給出了短焦、中焦和長焦的點列圖，短焦處0、0.7和全視場像點彌散斑的均方根半徑分別為17.65μm、22.40μm、29.90μm。中焦處各視場像點彌散斑的均方根半徑分別為11.34μm、16.64μm、19.04μm。長焦處各視場像點彌散斑的均方根半徑分別為13.94μm、17.86μm、28.97μm。短焦和長焦距全視場的均方根半徑略大于像元尺寸25μm，其余均小于像元尺寸，說明成像質(zhì)量良好，滿足使用要求。

3 ZPL與凸輪曲線［8］

針對二組元變焦形式編寫ZEMAX宏程序，可實現(xiàn)變焦距過程中各組元間隔的計算，還可實時監(jiān)測各個焦距位置的成像質(zhì)量，同時不受限于高斯光學(xué)關(guān)系，能夠滿足某些焦距位置需要離焦才能找到最佳像面的要求。

圖1 分別為短焦、中焦、長焦的結(jié)構(gòu)圖

圖2 分別為短焦、中焦、長焦的MTF曲線圖

圖3 分別為短、中、長焦處各視場的點列圖

程序的主要語句如下：

本程序的基本思路為在優(yōu)化函數(shù)中約束系統(tǒng)的總長，只將變焦距系統(tǒng)的變倍組與補償組和補償組與后固定組或者光闌的間隔設(shè)為變量，變倍組與前固定組的距離線性增加，前固定組與變倍組間隔每改變一次，程序調(diào)用優(yōu)化函數(shù)，對當(dāng)前的變倍組與補償組的距離以及補償組與后固定組或者光闌的距離進(jìn)行優(yōu)化，并將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組中，程序運行結(jié)束后生成凸輪曲線圖。運行該程序之前要刪除所有的多重結(jié)構(gòu)；記錄長、短焦距位置的前固定組與變倍組間隔，當(dāng)其達(dá)到一定值時程序自動結(jié)束；在優(yōu)化函數(shù)中需約束系統(tǒng)的總長。運行程序時依次輸入厚度需要線性增加的表面的序號（通常為代表前固定組與變倍組間隔的表面序號s1）；間距需要被優(yōu)化的表面序號1（通常為代表變倍組與補償組間隔的表面序號s2）；間距需要被優(yōu)化的表面序號2（通常為代表補償組與后固定組或者與光闌間隔的表面序號s3）；輸入間隔每次線性增加的步長（i）；每輪優(yōu)化的次數(shù)和前固定組與變倍組允許的最大間隔（zmax）。當(dāng)前固定組與變倍組間隔大于該最大值時，程序生成凸輪曲線圖，運行結(jié)束。當(dāng)前固定組與變倍組的間隔需要按其他規(guī)律運動時，可以通過修改宏程序中的語句，使其按照其他給定的函數(shù)規(guī)律變化?；谠摵晟傻耐馆喦€圖如圖4所示。

圖4 凸輪曲線圖

圖中橫坐標(biāo)為運動組元與第一片透鏡前表面的距離大小，縱坐標(biāo)為焦距大小，虛線和實線分別代表變倍組和補償組的運動規(guī)律。從圖中可看出變倍組與補償組都朝同一方向運動，且曲線平滑無拐點。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單的大相對孔徑紅外連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅由4個組元5片透鏡構(gòu)成，采用負(fù)組補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。焦距在50～200mm范圍內(nèi)連續(xù)變化，相對孔徑為1∶1，在變焦過程中保持不變，光學(xué)筒長285mm。使用ZEMAX宏語言程序給出凸輪曲線圖，克服了嚴(yán)格按照高斯光學(xué)計算時，某些需要離焦的焦距位置不能找到最佳像面的缺點，解決了傳統(tǒng)凸輪曲線設(shè)計要借助于其他軟件的麻煩。像質(zhì)評價結(jié)果顯示在所有焦距位置均成像清晰。

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［5］崔慶豐，匡裕光.混合復(fù)消色差透鏡組的設(shè)計原理［J］.光學(xué)學(xué)報，1995，15（4）：449-503.

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