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(qiáng)。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(jī)械補(bǔ)償中有利于減小總長的負(fù)組補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償組和補(bǔ)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(bǔ)償組的距離以及補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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。基于該宏生成的凸輪曲線圖如圖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(bǔ)償組的運動規(guī)律。從圖中可看出變倍組與補(bǔ)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(bǔ)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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