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大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计

唐晗,夏丽昆,刘炼,刘云,刘炫,刘愚,张润琦,周春芬,杨开宇

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唐晗, 夏丽昆, 刘炼, 刘云, 刘炫, 刘愚, 张润琦, 周春芬, 杨开宇. 大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计[J]. . doi: 10.37188/CO.2023-0052
引用本文: 唐晗, 夏丽昆, 刘炼, 刘云, 刘炫, 刘愚, 张润琦, 周春芬, 杨开宇. 大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计[J]. .doi:10.37188/CO.2023-0052
TANG Han, XIA Li-kun, LIU Lian, LIU Yun, LIU Xuan, LIU Yu, ZHANG Run-qi, ZHOU Chun-fen, YANG Kai-yu. Design of cooled lwir large ratio zoom optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0052
Citation: TANG Han, XIA Li-kun, LIU Lian, LIU Yun, LIU Xuan, LIU Yu, ZHANG Run-qi, ZHOU Chun-fen, YANG Kai-yu. Design of cooled lwir large ratio zoom optical system[J].Chinese Optics.doi:10.37188/CO.2023-0052

大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计

doi:10.37188/CO.2023-0052
基金项目:国家重点研发计划(0701200)
详细信息
    作者简介:

    唐晗(1984-),男,湖南衡阳人,硕士,高级工程师,2010 年于中国兵器科学研究院获得硕士学位,主要从事红外成像系统研发设计。E-mail:15887167873@163.com

  • 中图分类号:TN216

Design of cooled lwir large ratio zoom optical system

Funds:Supported by National Key Research and Development Program of China (0701200)
More Information
  • 摘要:

    随着制冷型长波红外焦平面探测器空间分辨率及面阵规格的提升,制冷型长波红外热像仪应用范围越来越广,需提升相应光学系统以满足不同领域需求。长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦,利用主动补偿的消热差技术达到系统在−40 °C~+65 °C温度范围成像清晰,实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm,变倍比为15.0×,光学系统包络尺寸为268 mm(长)×200 mm(宽),光学零件总质量618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征,将在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中得到广泛应用。

  • 图 1光学补偿变焦模型原理图

    Figure 1.Schematic diagram of an optically compensated zoom model

    图 2机械补偿变焦模型原理图

    Figure 2.Schematic diagram of mechanical compensated zoom model

    图 3双组联动变焦模型原理图

    Figure 3.Schematic diagram of double group linkage zoom model

    图 4光学变焦系统多重结构图

    Figure 4.Multiple configurations of optical zoom system

    图 5光学系统布局图

    Figure 5.Configuration of optical zoom system

    图 6光学系统调制传递函数

    Figure 6.MTF curves of optical system

    图 7光学系统点列图

    Figure 7.Spot diagrams of optical system

    图 8光学系统畸变情况

    Figure 8.Distortion diagrams of optical system

    图 9低温−40 °C环境光学系统传函

    Figure 9.MTF curves of optical system at −40 °C

    图 10高温+65 °C环境光学系统传函

    Figure 10.MTF curves of optical system at +65 °C

    图 11二元衍射面相位与元件直径的关系

    Figure 11.The Relationship between phase and diameter of the BOE

    图 12大视场冷反射信噪比

    Figure 12.Cold reflection signal-to-noise ratio of WFOV

    表 1光学系统技术指标

    Table 1.Parameters of optical system

    Spectral range 7.7 μm~9.5 μm
    Horizontal field of view 21.0°、5.0°、2.0°、1.38°
    Focal length /mm 25、109、275、400
    F# 15.0∶1
    Focal length /mm 25、109、275、400
    Working temperature −40℃~65℃
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    表 2光学系统初始参数取值

    Table 2.Initial parameters of optical system

    ZR $ f_2' $ $ f_3' $ $ \beta _2' $
    15 −1 1.62 −1.45
    $ \beta _3' $ $ \beta _4' $ $ {d}_{12} $ $ {d_{34}} $
    −1.34 1 0.55 0.55
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    表 3变焦系统初始间隔

    Table 3.Zoom system initial spacing

    系统焦距(mm) 400 275 109 25
    f1/f2间隔(mm) 133.2 126.8 105.3 23.6
    f2/f3间隔(mm) 16.3 36.1 82.2 192.1
    f3/f4间隔(mm) 89.8 76.4 51.8 23.6
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    表 4公差最严重项目

    Table 4.Maximum tolerance items

    公差操作项 表面 设置值(mm) RMS改变值(mm)
    TSDX 5 ±0.005 0.00315
    TSDY 5 ±0.005 0.00315
    TSDX 6 ±0.005 0.00315
    TSDY 6 ±0.005 0.00315
    TIRR 2 ±0.5 0.00089
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