留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

轻小型中波红外连续变焦光学系统设计

唐晗 李洪兵 彭浪 明景谦 季振波 浦恩昌 杨增鹏 毕晓川 保开林 郑万祥 彭代东

唐晗, 李洪兵, 彭浪, 明景谦, 季振波, 浦恩昌, 杨增鹏, 毕晓川, 保开林, 郑万祥, 彭代东. 轻小型中波红外连续变焦光学系统设计[J]. 红外技术, 2023, 45(12): 1278-1285.
引用本文: 唐晗, 李洪兵, 彭浪, 明景谦, 季振波, 浦恩昌, 杨增鹏, 毕晓川, 保开林, 郑万祥, 彭代东. 轻小型中波红外连续变焦光学系统设计[J]. 红外技术, 2023, 45(12): 1278-1285.
TANG Han, LI Hongbin, PENG Lang, MING Jingqian, JI Zhenbo, PU Enchang, YANG Zengpeng, BI Xiaochuan, BAO Kailin, ZHENG Wanxiang, PENG Daidong. Optical Design of Light-Small MWIR Continuous Zoom System[J]. Infrared Technology , 2023, 45(12): 1278-1285.
Citation: TANG Han, LI Hongbin, PENG Lang, MING Jingqian, JI Zhenbo, PU Enchang, YANG Zengpeng, BI Xiaochuan, BAO Kailin, ZHENG Wanxiang, PENG Daidong. Optical Design of Light-Small MWIR Continuous Zoom System[J]. Infrared Technology , 2023, 45(12): 1278-1285.

轻小型中波红外连续变焦光学系统设计

详细信息
    作者简介:

    唐晗(1984-),男,高级工程师,主要研究方向为红外成像系统光机技术。E-mail: 15887167873@163.com

  • 中图分类号: TN216

Optical Design of Light-Small MWIR Continuous Zoom System

  • 摘要: 根据连续变焦理论模型,编制连续变焦计算程序,求得变焦系统初始解,建立理想光学模型,通过选材选型及迭代优化,实现仅由4片红外透镜及两片平面反射镜组成的中波红外连续变焦光学系统。该系统F#为4、工作波段为3.7~4.8 μm、视场变化范围为20°×16°~2.0°×1.6°、光学零件最大口径为71 mm、零件总重64 g,系统包络为172 mm×108 mm,系统采用两个二元衍射面用于消色差,通过材料合理配置及主动补偿实现系统消热差设计。该中波红外连续变焦光学系统重量轻、总长短、包络小,在-40℃~+60℃温度范围全视场成像质量良好。
  • 图  1  正组补偿光学系统变焦模型

    Figure  1.  Principle diagrams of continuous zoom optical system with mechanical compensation

    图  2  光学设计流程

    Figure  2.  Optical design flow chart

    图  3  近轴光学系统

    Figure  3.  Configuration of paraxial optical system

    图  4  连续变焦光学系统

    Figure  4.  Configuration of continuous zoom optical system

    图  5  硒化锌基底二元面环带与半径的关系

    Figure  5.  Relationship between the ring depth and radius of the ZnSe binary optical element

    图  6  硅基底二元面环带与半径的关系

    Figure  6.  Relationship between the ring depth and radius of the silicon binary optical element

    图  7  连续变焦凸轮曲线

    Figure  7.  Cam curves of continuous zoom optical system

    图  8  光学系统传函曲线

    Figure  8.  MTF curves of continuous zoom optical system

    图  9  光学系统点列图

    Figure  9.  Spot diagrams of continuous zoom optical system

    图  10  光学系统畸变

    Figure  10.  Optical distortion diagrams of continuous zoom optical system

    图  11  系统长焦时高低温下光学传递函数

    Figure  11.  MTF curves of continuous zoom optical system at high and low temperatures

    图  12  系统长焦时高低温下点列图

    Figure  12.  Spot diagrams of continuous zoom optical system at high and low temperatures

    表  1  探测器参数

    Table  1.   Parameters of detector

    Detector HgCdTe
    Array size 640×512
    Pixel dimension/μm 15
    NETD/mK ≤22
    Spectral response/μm 3.7−4.8 μm
    Weight ≤380 g
    下载: 导出CSV

    表  2  光学系统设计指标

    Table  2.   Parameters of optical system design

    Working waveband/μm 3.7 to 4.8
    Zoom 10:01
    Field of view 20°×16° to 2.0°×1.6°
    F# 4
    Focal length/mm 27.0~275
    Working temperature/℃ -40 to 60
    下载: 导出CSV

    表  3  变焦系统初始间隔参数

    Table  3.   Initial spacing parameters of optical system

    Focal length/mm 275 215 150 78.6 25.9
    f1/f2 spacing/mm 83.49 80.06 74.56 59.44 18.90
    f2/f3 spacing/mm 13.02 24.01 38.57 68.69 125.94
    f3/f4 spacing/mm 67.23 59.67 50.61 35.61 18.90
    下载: 导出CSV
  • [1] 张坤杰. 国外三代红外探测器制冷机的研究现状[J]. 云光技术, 2020, 52(1): 28-37.

    ZHANG Kunjie. Research status of three generation infrared detector refrigerators abroad[J]. YUN GUANG JI SHU, 2020, 52(1): 28-37.
    [2] 陈吕吉, 明景谦, 马琳, 等. 四片式非制冷长波红外热像仪双视场光学系统[J]. 红外技术, 2010, 32(1): 25-28. doi:  10.3969/j.issn.1001-8891.2010.01.006

    CHEN Lvji, MING Jingqian, MA Lin, et al. A four-piece dual field of view optical system for LWIR thermal imager[J]. Infrared Technology, 2010, 32(1): 25-28. doi:  10.3969/j.issn.1001-8891.2010.01.006
    [3] 何红星, 赵劲松, 唐晗, 等. 一种高性能双视场长波红外光学系统[J]. 红外技术, 2017, 39(5): 394-398. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201705002

    HE Hongxing, ZHAO Jingsong, TANG Han, et al. High performance dual fields of view LWIR optical system[J]. Infrared Technology, 2017, 39(5): 394-398. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201705002
    [4] 徐正奎, 于振龙, 王春兴, 等. 四片式10×中波双视场光学系统设计和分析[J]. 红外技术, 2019, 41(9): 824-830. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201909005

    XU Zhengkui, YU Zhenlong, WANG Chunxing, et al. Four-piece medium wave dual field of view 10× optical system[J]. Infrared Technology, 2019, 41(9): 824-830. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201909005
    [5] 陶纯堪. 变焦距光学系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社. 1988.

    TAO C K. Zoom Focus Optics System Design[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1988.
    [6] 宋菲君, 陈笑, 刘畅. 近代光学系统设计概论[M]. 北京: 科学出版社, 2019.

    SONG Feijun, CHEN Xiao, LIU Chang. Introduction to Modern Optical System Design[M]. Beijing: Science Press, 2019.
    [7] 张发平, 张华卫. 基于二元衍射面的长波无热化光学系统设计[J]. 红外技术, 2020, 42(1): 25- 29. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202001004

    ZHANG Faping, ZHANG Huawei. Design of long-wave athermal optical system based on binary diffractions surface[J]. Infrared Technology, 2020, 42(1): 25-29. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs202001004
    [8] 王春艳, 王志坚, 周庆才. 应用动态光学理论求解变焦光学系统补偿组凸轮曲线[J]. 光学学报, 2006, 26(6): 891-894. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB200606019.htm

    WANG Chunyan, WANG Zhijian, ZHOU Qingcai. Solving the cam curve of the compensating group about zoom lens using dynamic optical theory[J]. Acta Optica Sinica, 2006, 26(6): 891-894. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXXB200606019.htm
  • 加载中
图(12) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  109
  • HTML全文浏览量:  46
  • PDF下载量:  75
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-05
  • 修回日期:  2022-08-24
  • 刊出日期:  2023-12-20

目录

    /

    返回文章
    返回