一种用于目标探测跟踪的红外变焦系统设计

针对军用装备目标探测的应用需求，设计了一种15倍非制冷式红外变焦系统。该变焦系统工作于8～12μm远红外波段，F数为3，在20～300mm范围内系统能够连续变焦且像质较好，在最大截止频率为11ip／mm时，各焦距位置的MTF曲线与衍射极限十分接近。在长焦距、大变倍比的前提下，结构依然紧凑，总长度有效控制在330mm。在给定公差范围内，像质变化满足实际应用允许的变化范围。最后，该系统与联合变换相关器相结合，完成了对目标的探测实验。实验结果表明，该红外变焦系统能够很好地探测识别目标。

基于目标探测光学补偿红外变焦系统设计

为提高联合变换相关器的探测能力,针对2/3英寸红外CCD探测器,设计了一种红外光学补偿变焦系统,应用于联合变换相关器的红外目标探测。该系统在焦距100-200mm内连续变焦,工作波段为8-12μm,F数为3。系统仅由7片透镜组成,引入两个非球面。像质评价结果表明：在整个变焦范围内,在截止频率17lp/mm时,各视场MTF接近衍射受限曲线,像质优良、像面稳定,满足光学系统的总体设计要求。

基于直线运动机构的大变倍比红外变焦成像系统

针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求,研制了一种大变倍比红外变焦成像系统,设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜,通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点,采用直线运动机构实现镜片变焦运动,使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析,所设计镜片最大位移为3.04×10^(-3)mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器,变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明,系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好,验证了系统的连续变焦成像性能,该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。

折反式中波红外双视场变焦系统无热化设计

利用折/衍混合透镜实现了宽温度范围双视场变焦系统的光学被动无热设计。系统工作波段为3～5μm,使用320×240红外制冷探测器,像元大小为30μm×30μm,焦距为400 mm和800 mm两档,F数分别为2和4。两系统通过机械结构改变冷光栏大小分别实现100﹪冷光栏效率。在两档共用组份采用一片折衍混合透镜,对双视场系统两焦距位置消热差,实现了一个衍射面对两档系统的无热化设计,结构简单。设计结果表明:在-40～60℃温度范围内,空间频率18 lp/mm处系统MTF值接近衍射极限,成像质量良好,实现了双视场变焦系统的无热化设计。

基于联合变换相关器的远红外变焦光学系统设计

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力,且满足坦克瞄准镜的工作要求,针对1英寸红外CCD探测器,设计了8～12μm波段折射式长波红外连续变焦系统.该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为2,变倍比为4∶1,在50～200mm范围内可实现连续变焦,且变倍曲线和补偿曲线平滑,扩大了坦克瞄准镜的搜索范围.用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明,在17lp/mm空间频率处,全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上,接近衍射极限,像面稳定性良好,满足光学系统的设计要求.

大口径离轴折反式中波红外连续变焦系统设计

基于制冷型320×240凝视焦平面阵列探测器，设计了大口径离轴折反式中波红外连续变焦光学焦系统。系统工作波段为3．7～4．8μm，焦距范围250—2000mm，F数为4。光学系统分离轴无光焦度系统和透射式连续变焦系统两部分设计，匹配对接后优化。解决了透射式连续变焦系统因材料限制不能做到大口径、共轴折反式连续变焦系统短焦遮拦比大和离轴三反不能做到100％冷光阑效率的缺陷。满足100％冷光阑效率，在空间频率16lp／mm处系统的MTF值大于0．5，具有像质好，分辨率高等特点，满足设计要求。

一种像旋扫描变焦红外光学系统

基于光学消像旋原理，研究了通过像旋扫描以扩大光学系统视场的途径，并建立了一个设计模型。该模型是一个三次成像的变焦结构，采用了别汉棱镜作为一维扫描器件，为保证不同温度时的成像质量，使用了主动消热差技术。系统采用了480×6的线阵长波红外（7．7～10．3μm）探测器，F数为2．6，线阵长度为12．29mm，通过像旋扫描获得了半径为探测器线阵长度的圆形总视场，并采用倾斜和偏心探测器的方法实现了冷光阑匹配，其视场为4．4°／17．6°，对应焦距为320／80mm。系统除别汉棱镜外采用了九片透镜，其中3个非球面。系统在全视场范围内具有接近衍射限的像质。

20×长波红外变焦光学系统设计

针对红外目标探测等军事应用的实际需求,为了扩大对目标的搜索范围,设计了8～12 m红外波段的20×连续变焦光学系统。该系统采用320×240非制冷焦平面红外探测器,在15～300 mm范围内实现连续变焦,F数为2。系统结构简单,仅由6片透镜组成,并仅引入1个非球面校正系统像差。在空间频率为16 lp/mm处,变焦范围内的MTF调制传递函数均在0.45以上,接近衍射极限,像质优良,像面稳定,可用于坦克红外观瞄系统。

5^×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统

介绍了一个变倍比5×的长波红外连续变焦物镜系统的设计结果,该系统采用光学补偿的变焦方式。光学系统的F#和探测器的相匹配,恒定为2,冷屏效率100%。对4个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射限。采用二次成像方式对光学系统的横向尺寸进行了约束,通光孔径被约束在φ134 mm以内。为了进一步减小系统的轴向尺寸,对系统的光路进行了折转。光路折转两次后,系统的体积约为290 mm×165 mm×140 mm。

非制冷长波红外连续变焦光学系统的一种无热化设计

为了满足长波红外(LWIR)热像仪在宽温度范围下连续变焦的需求,基于LWIR 320 pixel×320 pixel型红外探测器,设计了一款非制冷长波红外连续变焦光学系统。该系统可在宽温度范围下实现无热化,采用常见的硫系玻璃,工作波段为8~12μm,总长为200 mm,仅由7片透镜组成。通过引入偶次非球面,可以使系统色差和轴外像差得到良好的校正,同时选用后固定组的最后一片透镜充当温度补偿组来调节焦距实现无热化。分析结果表明,该系统结构紧凑,可以在-40~60℃温度范围内和60~180 mm焦距范围内连续平滑变焦,并且全程成像质量良好(调制传递函数在20 lp/mm处均大于0.3),变焦和公差也具有良好的可实现性。

30mm～110mm大孔径红外变焦热像镜头设计

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标,同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在国防、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍,利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头,变焦范围为30mm^110mm,工作波段在8μm^12μm,F~#为1.0,配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用,探测器像元尺寸为25μm×25μm,光学系统的总长小于230mm,整个系统由7片透镜组成,并且只使用了锗一种材料,所有表面均为球面。实验结果表明:在短焦30 mm时,系统MTF值在20lp/mm处均大于0.3;长焦110mm时,系统MTF值在20lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析,得出一组较为宽松的公差。

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对新一代光电吊舱对轻小型长焦距高清红外变焦成像系统的迫切需求,采用分辨率为1280×1024、像元尺寸为15μm大面阵中波制冷红外探测器,设计了一款变倍比为48、焦距范围为25~1200 mm的中波红外连续变焦光学系统。为了实现小型化设计,采用二次成像、正组机械补偿、平滑换根、结合后组温阑切换变F数,以及光路巧妙折转的设计思路及方法,在保证100%冷阑效率的同时,实现了红外变焦系统的大变倍比与小型化设计。结果表明,该光学系统在-40℃~+60℃温度范围内具有良好的成像质量,且光学最大口径为230 mm,光学总长仅为350 mm,该系统具有结构紧凑、变倍比大、焦距长、分辨率高、成像质量良好等优点,可满足新一代红外成像系统的要求。

间断式连续变焦中波红外光学系统

基于机械补偿方式设计了一款间断式连续变焦中波红外光学系统。该光学系统由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、反射镜一、反射镜二、中继组组成。光学系统采用间断式机械补偿方式满足光学系统小视场和超小视场为长焦距和超长焦距定焦、小视场至大视场为连续变焦、光学系统小型化等要求,实现了超小视场和小视场为定焦和小视场至大视场为连续变焦的中波红外光学系统,兼顾了超小视场和小视场观察瞄准以及大视场至小视场连续观察的功能。变焦过程中变倍补偿曲线平滑、无拐点、像面稳定。光学系统外形包络在350mm×116mm(局部168mm)×65mm(局部130mm,含结构部分)范围内,系统紧凑。设计结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。