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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

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]. 中国光学(中英文), 2024, 17(1): 69-78. 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]. 中国光学(中英文), 2024, 17(1): 69-78. 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 long-wave infrared optical system with large zooming range[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 69-78. 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 long-wave infrared optical system with large zooming range[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 69-78. 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(No. 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 long-wave infrared optical system with large zooming range

Funds: Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 0701200)
More Information
  • 摘要:

    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使系统在−40 °C~+65 °C温度范围内能够清晰成像,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,光学系统包络尺寸为268 mm(长)×200 mm(宽),光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征,在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

     

  • 图 1  光学补偿变焦模型原理图

    Figure 1.  Principle diagram of an optically compensated zoom model

    图 2  机械补偿变焦模型原理图

    Figure 2.  Principle diagram of mechanical compensated zoom model

    图 3  双组联动变焦模型原理图

    Figure 3.  Principle 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 zoom optical system

    图 5  光学系统布局图

    Figure 5.  Layout of zoom optical system

    图 6  光学系统在4个焦距下的调制传递函数

    Figure 6.  MTF curves of optical system at four focal lengths

    图 7  光学系统在4个焦距下的点列图

    Figure 7.  Spot diagrams of optical system at four focal lengths

    图 8  光学系统在4个焦距下的畸变情况

    Figure 8.  Distortion diagrams of optical system at four focal lengths

    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 binary optical element

    图 12  大视场状态下探测器焦平面上的冷反射信噪比

    Figure 12.  Signal-to-noise ratio of cold reflection on the detector’s focal plane in WFOV

    表  1  光学系统的技术指标

    Table  1.   Parameters of optical system

    Index Value
    Spectral range/μm 7.7~9.5
    Horizontal field of view/(°) 21.0、5.0、2.0、1.38
    Focal length /mm 25、109、275、400
    F# 3
    Zoom ratio 15.0∶1
    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

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

    Table  3.   Initial spacing parameters of front end zoom optical system

    参数 数值
    系统焦距(mm) 400 275 109 25
    d12(mm) 133.2 126.8 105.3 23.6
    d23(mm) 16.3 36.1 82.2 192.1
    d34(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
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-27
  • 修回日期:  2023-04-27
  • 网络出版日期:  2023-10-08

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