西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室陕西省光信息技术重点实验室， 陕西 西安 710129
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8~12 μm，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。
光学设计 红外变焦系统 长波红外 像质评价
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 王之江激光创新中心，上海 201800
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
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。
红外变焦成像系统 大变倍比 直线运动机构 直线电机 infrared zoom imaging system large zoom ratio linear motion mechanism linear motor 红外与激光工程
2020, 49(8): 20200007
中国科学院上海技术物理研究所公共技术室，上海 200083
针对像元尺寸为17 m×17 m的 非致冷型640×480元探测器，基于补偿组兼顾调焦群作用的Varifocal 结构，仅用4片透镜就设计出了一种变倍比为6×的长波红外连续变焦光学 系统。针对低成本、高透波率的指标要求，通过理论计算得到了初始结 构，并用CodeV软件对其像差进行了优化，最后针对设计结果进行了 凸轮曲线求解和像质评价。结果表明，当 工作在8 ～ 12 m波段时，在相对孔径1.4 : 1保持不变的条件下，该系统实 现了焦距从20 mm到120 mm的连续变焦，而且空间频率20 lp/mm处的调 制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值均大于0.5。通过样机实测发现，该系统 具有变倍比大、结构紧凑和分辨率高等特点，因而适用于红外监控设 备。
光学设计 红外变焦 变焦点 长波红外 optical design infrared zoom system varifocal long wave infrared
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 92785部队 河北 秦皇岛 066200
3 63713部队, 山西 太原 036301
4 61251部队, 河北 秦皇岛 066102
基于数字微镜器件(DMD)的红外景象模拟器在室内环境下通过模拟真实景物及其环境的红外辐射来测试红外成像系统的性能。为实现基于DMD的红外景象模拟器能够满足不同待测系统的视场角匹配, 同时为避免投影系统与照明系统发生空间上的重叠, 设计了一套配有分光棱镜的红外变焦投影系统。该系统工作波段为8～12 μm, F数为2.7, 采用光学补偿变焦方式,可实现50/100/150/200 mm四档变焦。根据四组元系统负组补偿原理及其高斯光学公式对系统光学参数进行计算, 选用与参数相近的初始结构进行处理及优化。设计结果表明, 各焦距位置在20 lp/mm处的调制传递函数值均接近衍射极限, 符合使用要求。
光学设计 数字微镜器件(DMD) 光学补偿 红外变焦 投影系统 optical design digital micro-mirror device(DMD) optical compensation infrared zoom projection system 红外与激光工程
2016, 45(12): 1218003
福建师范大学 光电与信息工程学院, 医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建省光子技术重点实验室, 福建 福州 350007
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**、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30 mm~110 mm, 工作波段在8 μm ~12 μm, 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25 μm×25 μm, 光学系统的总长小于230 mm, 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20 lp/mm处均大于0.3; 长焦110 mm时, 系统MTF值在20 lp/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。
红外变焦系统 大孔径 infrared zoom system large aperture MTF MTF
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
根据外场测试要求, 设计一套精确变焦的大口径投影光学系统, 为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟, 系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求, 在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下, 对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 μm ~12 μm, 变倍比为16x, 大口径投影光学系统口径为300 mm, 模拟实验结果表明, 该系统在变焦过程中像面稳定, 各焦距位置MTF曲线接近衍射极限, 满足外场测试实验要求。
光学设计 红外变焦 投影系统 optical design infrared zoom projection system
采用双电机联动控制变倍组与补偿组的变焦方案替代传统的曲线套筒, 实现了采用全透射式结构型式, 相对口径为1/4, 焦距变化范围为342.76 mm~13.15 mm连续变焦光学镜头的机械补偿式变焦。将变倍组设计成步进模式, 作匀速运动, 补偿组设计成位置跟踪模式, 按凸轮曲线作变速运动, 采用双电机全数字伺服控制凸轮(CAM)算法, 将光学设计计算的变倍镜和补偿镜位置对应关系转变为对应的脉冲数输入到CAM表中, 从而确定2个不同运动速度轴之间的位置对应关系。试验结果表明: 双电机控制的变倍组和补偿组位置分辨率达到0.18 μm, 光轴一致性水平方向达到1.9′, 垂直方向达到1.3′。
红外连续变焦 双电机控制 变倍组 补偿组 步进模式 位置跟踪模式 infrared zoom lens double-motor control zooming lens group compensating lens group stepping mode position tracking model
长春理工大学现代光学测试实验室, 吉林 长春 130022
针对红外目标探测等**应用的实际需求, 为了扩大对目标的搜索范围, 设计了 8～12 μm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。
光学设计 红外变焦系统 机械补偿 高变倍比 非球面 optical design infrared zoom system mechanical compensation high zoom ratio aspherical surface
