一款放大比为40×、近红外波段较宽的连续变焦光学系统

摘要：为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪，光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦，并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等，并在确定了相关技术参数的基础上，设计了一种变倍比为40×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜，易于加工，成像质量较好，各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2，并且凸轮曲线平滑，无拐点，杂散光控制较好，对系统影响很小。最后通过外景试验测试，该系统光轴一致性小于0.1 mrad，系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求，为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。

关键词：大变倍比；宽波段；连续变焦光学系统；凸轮曲线；光轴一致性 引言

光电跟踪系统是一种由光电检测、信号处理、电子控制器、光学系统和精密支架等多个子系统构成的复杂控制系统，在军事、靶场光电子学检测、天文观察、武器控制和激光通信控制系统中具有广泛的应用[1]。随着光电跟踪系统在雾、雨等天气或者低照度条件下对目标的探测需求日益增长，可见光加近红外的连续变焦系统成为近年来的研究方向。例如，方丽设计了变倍比10倍的近红外摄像一体机镜头，可在可见光波段和850 nm波长成像，但近红外波段较窄；胡际先等设计了一款小型透雾20倍连续变焦系统，实现了400 nm～1 000 nm波段透雾成像，但其变倍比较小。因此，根据该应用需求，本文设计了一款变焦比40倍、近红外波段较宽的连续变焦光学系统。该光学系统在所有镜片均为球面，材料均为普通光学玻璃的条件下，实现了10 mm～400 mm焦距范围，可见光和近红外双波段的共孔径共焦面集成，在整个变焦范围内都具有较好的成像质量，各视场的MTF值在150 lp/mm处均在0.2以上，并且凸轮曲线平滑，无拐点；杂散光控制得较好，对系统影响很小。通过外景测试，该系统光轴一致性好，小于0.1 mrad。该系统具有昼夜观察能力、大变倍比、光轴一致性高的优势，为光电跟踪系统的工程化实现提供了参考。

1 设计原理 1.1 结构形式分析

由于该系统变焦比为40×，波段范围为0.45 μm～0.95 μm，因此系统变倍比较大，波段较宽，系统中的色差、二级光谱以及像面偏移量都较大，校正难度较高。如果系统采用光学补偿法，就必须有多组大规格镜片，这样会加大镜片的比重，减少整个系统的透过率，因此，光学补偿法不适用于该连续变焦系统。同时具有光学补偿与机械补偿法优点的双联动补偿法，虽然可以保证在整个变焦过程中均能清晰成像，补偿曲线也相对平缓，且在对近距目标成像时采用独特的调节焦距方式，使系统视场角和通光口径基本保持不变，但是，双联动系统的前固定组承担的光焦度较大，系统的二级光谱和色差校正难度较高，而且运动组元多，结构设计和光学装调复杂度高，系统的工程性、稳定性相对较低，因此双联动补偿法也不适用于该连续变焦系统。机械补偿法包含正组补偿与负组补偿，与负组补偿法相比，正组补偿法可以更容易地实现色差和二级光谱的校正，而且补偿组运动轨迹平缓，可以更容易地增大系统的变倍比。由于设计的系统波段范围比较宽，变倍比也较大，在综合平衡变焦物镜的透光口径和二级光谱范围的时候，选用正组补偿更有优势，因此该系统采用正组补偿法，如图1所示。同时设计正组补偿光学系统时，应保证短焦状态时前固定组与变倍组、后固定组与补偿组不会发生干涉，系统处于长焦状态时变倍组与补偿组不会发生干涉。

图1. 连续变焦光学系统正组补偿原理图

2. 设计指标及设计过程

2.1 主要指标要求 连续变焦光学系统的主要技术指标为

1） 焦距：10 mm～400 mm；

2） F数：2.1～4.5；

3） 波长：0.45 μm～0.95 μm；

4） 探测器：1 920×1 080 pixel@3.45 μm；

5） T、W光轴一致性：≤0.1 mrad。

2.2 各组元结构选择

针对变焦距系统而言，各焦距段的二级光谱随着焦距的变化而变化，其中二级光谱的最大值出现在长焦端。由于长焦端的轴上光线和短焦端的轴外光线在前固定组ϕ1的高度均较高，所以前固定组主要用于校正长焦端的球面像差、正弦差、场曲和畸变，还可校正短焦端的像散、畸变和轴外球差，同时还贡献了系统大部分二级光谱，因此，系统采用更加复杂的负、负、正光焦度的单、单、双结构形式。其中首片采用CaF材料，尾片采用HZLAF和HZK双胶合镜来平衡色差和二级光谱。变倍组ϕ2承担整个光学光学系统变倍作用，采用色散能力很强的HZF88做正透镜，HFK做负透镜，进行色差校正，保证整个变倍组具有较小的残余色差。 补偿组ϕ3与光阑间距较近，使得轴外光高度降低，轴外的像散、畸变等像差较小，着重对其轴线上球差、正弦差及其高级像差进行校正。为缩短系统长度，确定补偿组的结构形式为摄远式结构。后固定组ϕ4可保证系统光焦度不变，补偿前面各组元的残余像差，特别是补偿残余二级光谱，同时负责将光束准直，以便于安装滤光片。连续变焦光学系统图如图2所示，系统总长小于265 mm。 图2. 连续变焦光学系统图

2.3 像差校正及像质评价

当光学系统中各组元结构形式以及各组元之间的间隔确定后，对各组元进行初步像差校正，然后再把各组元组合起来进行整体优化设计。在优化设计过程中，主要考虑的像差为色差和二级光谱。

该光学系统工作波段为0.45 μm～0.95 μm，具备昼夜观察能力，在系统中安装一片滤光片，白天使用时能够隔断近红外可见光波长，夜晚使用时能隔断可见光短波部分，并且增透近红外光，从而提高透雾性能。因此，对高变倍系统色差分别进行校正，即用可见光波长校正系统在白天的成像质量，用近红外波长校正系统在夜晚的成像质量，同时保证在这两种情况下系统的焦距是一致的。

该连续变焦系统主要采用调制传递函数MTF评价像质，焦距ƒ′=10 mm、ƒ′=150 mm以及ƒ′=400 mm时系统MTF如图3～图5所示。由图3～图5可知，3个视场的像差均得到较好地控制，各视场的MTF值在150 lp/mm处均在0.2以上，符合设计指标要求。

图3.焦距ƒ′=10 mm对应的MTF曲线

4. 结论

随着光电跟踪系统在雾、雨等天气或者低照度条件下对目标的探测需求日益升级，可见光加近红外的连续变焦系统成为近年来的研究方向。根据该应用需求，本文设计了一款放大比为40×、近红外波段较宽的连续变焦光学系统。该光学系统在所有镜片均为球面，材料均为普通光学玻璃的条件下，实现了10 mm～400 mm焦距范围，可见光和近红外双波段的共孔径共焦面集成，在整个变焦范围内都具有较好的成像质量，各视场MTF值在150 lp/mm处均在0.2以上；凸轮曲线平滑，无拐点；杂散光控制较好，对系统影响很小。通过外景测试，该系统光轴一致性较好，小于0.1 mrad。该系统具备昼夜观察能力和大变倍比、光轴一致性高的优势，为光电跟踪系统的工程化实现提供了参考。

编辑：黄飞