扫描型长波红外连续变焦光学系统

摘要：基于斯特林制冷式4x288元光伏型碲镉汞二维探测器，根据红外扫描成像系统原理，设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图，并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。该光学系统采用三次成像的结构，由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成，包含9片透镜和2片反射镜。为了降低校正色差成本，系统使用了硫系玻璃镜片。光学仿真结果表明院系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35，全视场畸变小于2%。最后，对系统进行了成像实验验证，结果表明院该系统可以实现30.8~154mm范围内连续变焦，变焦过程中目标景物清晰，细节分辨率高，无冷反射现象出现，该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。

1.引言

红外成像系统具有全天候工作，不需要辅助照明，并且其被动工作方式不会被对方电子干扰，图像直观，易于观察等优点，在警戒、侦察和制导等军事领域中得到了广泛应用。由辐射理论得知院温度为300K的黑体，其能量辐射的峰值波长为0.95μ。而通常的目标渊如地面掩体、工厂、大坝、车辆、轮船、生物乃至中段飞行的导弹等冤温度一般不高，尤其在受到低温环境的影响时，其辐射能力进一步下降，辐射能量主要在长波波段。这样，相对于中波3~5μm，长波红外成像系统在探测识别方面更具优势。但在远距离探测领域，由于非制冷长波探测器的灵敏度相对较低，不能满足用户的需求。面阵长波制冷型探测器工艺复杂，价格较为昂贵，而线列长波制冷型探测器性价比较高。而且，线列探测器系统既可用作周视扫描搜索，又可用进行目标的跟踪观察，应用前景广阔。

众所周知，一般双视场或多视场光学系统在切换视场时存在两个问题院其一，在切换时间间隔内没有目标图像曰其二，由于视场数有限，目标的大小和视场不匹配造成目标显示过大或过小的状况，不利于实际观察。连续变焦光学系统则能很好地解决上述问题，其在变焦的过程中，不会发生目标丢失的现象，并可根据目标大小自由调节光学系统焦距，因而，更方便用户观察使用，其需求日益增强。

本文基于4x288元光伏型碲镉汞二维探测器，设计了一个5倍扫描型长波红外连续变焦光学系统。采用三次成像结构和折叠光路的设计。测试结果表明院该系统在连续变焦过程中全视场范围内图像清晰、细节分辨率好、对比度高、畸变小、满足实际使用要求。

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