摘要三摘要红外变焦光学系统的应用范围非常广泛，而红外光学系统是其探测系统的重 要组成部分。与可见光不同的是，红外光线自身受环境影响较大，所以在光学系统设计时需要考虑环境的因素。环境的影响主要体现在大气衰减方面，红外光线经大气传输时能量衰减很严重，故而文中分析了大气传输特性，在研究了目标辐射特性基础上计算了红外系统的作用距离。由于红外变焦系统的出现是建立在可见光变焦系统发展的基础上。本文在总 结了可见光各种变焦形式和设计方法的基础上，以实例解算了变焦曲线及负组补偿变焦系统的高斯参数。另外还根据给定红外探测器提出了设计方案，确定了光学系统参数，并设计出红外变焦系统，研究了变焦系统像差动态平衡，给出了设计结果。从点列图和传递函数分析结果看，系统像面稳定、像质良好，验证了该设计方法的正确性。关键词：红外系统变焦距负组机械补偿ＡｂｓｔｒａｃｔＩ Ｒ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ， ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｂｒａｎｃｈ ｉｎ ＩＲ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｒｓｅａｒｃｈ． ＩＲ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｏｍｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｖｅｒ ｖｉｓｉｂｌｅ ｉｌｇｈｔｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＩＲ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｌｏｔ ， ｃａｎｓ吨ｔｈｅ ａｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ＩＲ ｉｌｇｈｔ勿ｉｔｓ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＩＲ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｔａｒｇｅｔｓ ａｎｄ ＩＲｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｅｒ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ， ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ＩＲ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ．Ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｚｏｏｍ ｌｅｎｓｅｓ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ Ｇａｕｓｓ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｐａｒｔｓ， ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄｏｔｈｅｒ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｌｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ．Ａ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ ＩＲ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｇｉｖｅｎ ＩＲ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎ ＩＲ ｚｏｏｍ ｃａｍｅｒａ ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｍｅｔｈｏ氏ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ＭＴＦ （ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ） ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＩＲ ｚｏｏｍｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄ： ＩＲ Ｌｅｎｓ Ｚｏｏｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ独创性（或创新性）声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名：李娟日期又ｕ０７ １．５关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表相关论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（保密的论文在解密后遵守此规定）。本学位论文属于保密，在－－年后适用本授权书。 本人签名：李Ａ日期ｚａ０１， １．５日期－）ｏ ｝Ｔ １． ．ｒ导师签名二等峨第一章绪论第一章绪论１．１课题意义及其产生背景 自然界一切温度高于绝对零度的物体每时每刻都在产生红外辐射，红外辐射和可见光一样都是一种电磁辐射，因此与可见光有着相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射等，同样也具有粒子性，以光量子的形式被发射和吸收，但由于波段不同还有与可见光不同的特性，如它对人眼不可见，它的光量子能量比可见光小，热效应比较强，易于被物质吸收。 近年来红外技术的应用范围蓬勃扩展，它的重要性也日显突出。如今红外技术广泛运用于国防、治安、工业检测等领域。红外光学系统探测的是物体的自身辐射，这种辐射都载有物体的特征信息，由于红外波段所具有的上述特性，这就决定了它有不同于可见光波段光学系统的优势，主要表现在以下几个方面ｎ１．１．昼夜２４小时都可以工作。在全黑的夜间，可作为夜视仪器，白天能见度 很低的情况，作用距离比可见光设备远。 ２．有良好的烟雾、尘埃穿透能力和揭示伪装的能力。３．随着红外探测器的发展和性能的提高，热像仪具有很高的灵敏度和良好的 分辨能力，因而具有了长距离探测能力和接近电视图像的清晰度。４．物体的热图像可提供有关物体自身状态信息，表明物体表面和表层的热状 态，因而在产生热过程的一切领域，可成为一种无损伤检测工具。随着人们生产实践活动领域的扩展和深入，提出了既要能对被观察物体做大 区域小倍率的粗略识别，同时又能对它作小区域大倍率的仔细观察，由于定焦距系统只能提供一个单一的视场范围和一个单一的焦距，所以不能兼顾成像质量和搜索范围。在这种情况下，变焦距光学系统就应运而生。变焦系统是指焦距在一定范围内变化，而像面保持不变或基本不变的系统。 １９３０－１９６０年间，受电影摄影需要的推动，变焦距照相物镜获得很大发展。１９３２年德国光学专家赫尔穆特瑙曼为西门子设计了２５＾－８０ ｍｍ变焦物镜１２１。此变焦镜头的结构颇为复杂，由８块透镜分６组构成，由两组活动的镜片分别完成变焦和对焦功能。其中的一组称“Ｖａｒｉａｔｏｒ＂（变焦透镜），可由前到后作直线运动，以改变焦距。另一组活动镜片称为“Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ＂（补偿透镜），移动轨迹先向前，再向后，以保证影像在任何焦距时都具有正确的焦点位置。这种焦点校正方法是用凸轮来实现所需的非线性移动，所以称为“机械补偿法”。由于受当时凸轮的加工工艺的，变焦距物镜加工后像质不能满足使用要求。红外变焦距光学系统的设计 １９６０年以后，随着计算机在光学设计中普遍应用，光学材料性能的提高，光学冷加工以及镀膜技术的发展，变焦距光学系统的设计工作取得了很大发展，特别是机械加工精度和工艺的提高，机械补偿法得到愈来愈广泛的应用。另外与换档变倍（光学补偿）红外光学系统相比，连续变焦距红外光学系统 的优势主要在于在工作状态下，连续变焦过程中不丢失目标信息（换档变倍红外光学系统变焦过程中会丢帧），这一点对于用作捕获镜头的红外变焦距镜头来说非常重要。 红外变焦系统的这种与日俱增的重要性以及探测器性能的不断提高，使得对红外光学系统需求空前增长。尽管在可见光系统中进行的公式推导、准则判定、平衡取舍以及其它的经典光学设计方法和工艺技术都可以直接运用于红外系统，但红外光学系统还是明显区别于可见光系统，其中一些技术问题的解决还是有难度的，如在扩大变焦范围和提高性能的同时，又需考虑减小系统的尺寸、重量及其复杂性。１．２国内外研究及发展现状我国红外技术在八十年代开始起步，现在与西方相比有很大的差距，红外热 成像技术的差距就更大，而对红外变焦的研究就更加少了，目前只有科学院、兵器工业集团、中电集团的几个研究所具有设计、加工红外光学系统的能力。中科院长春光机所研制出了７５０－３０００ ｍｍ折反式大口径长波红外变焦光学系统。另外，浙江大学光学工程系设计了一个扫描系统。该系统的变倍比为３：１，使用的波段是８＾－１２ｐｍ，焦距长度范围为３２＾９６ ｍｍ，视场角２０．７０ ＾－６．９０，放大倍率为３．８７＇－１Ｔ。系统的总长为１５９ ｍｍ，第一面透镜半径９４ ｍｍ，物距范围为无穷大到２０ｍ。在整个变焦范围内，相对口径为Ｆ／２。光焦度分配为＋，一，＋，＋，＋五个部分，移动的第二组元为变倍组，第三组元为补偿组。工作的温度范围为－１０＾＋４０ Ｃｌｔ０ｌ。上海技术物理所的红外变焦系统处于试制阶段，西安光机所也开始了预研工作。 国外红外技术的发展比较成熟，而且广泛地运用在军事、民用领域，对于其发展历史及现状的研究和借鉴也是必不可少的。而红外变焦系统的发展是以折射、反射、折反式系统三种结构形式为基础，下面分类进行介绍。１．折射式变焦系统红外折射变焦系统最早出现在８ ０年代，其中有著名Ｐｉｌｋｉｎｇｔｏｎ ＲＥ有限公司研制的“Ｄｅｓｉｒ”红外长波望远系统，变倍比为４倍，该系统包括一个连续变焦物镜和一个固定焦距的目镜，Ｄｅｓｉｒ是“正负正正”机械补偿结构。它有一个单片的前固第一章绪论定组，其后是变焦负组和正组，在目镜前是一个双分离的正后固定组。主要折射材料是锗，其负组中有一片采用硒化锌，用来消色差，此变焦系统总长为３８０ ｍｍ ，全部重量为３．６ｋｇ，透过率为６５％［４）．Ｄｅｓ ｉｒ的成功鼓励了设计者在航空领域实现对红外变焦系统的应用，此长波望远系统命名为Ｚｕｌｕ，它用于远程有人驾驶飞船的光学传感器仪器舱内，Ｚｕｌｕ与Ｄｅｓｉｒ具有相似的机械补偿结构，变倍比依然为４倍，总长２００ ｍｍ ，结构比Ｄｅｓｉｒ更加紧凑【习。另外ＰＥ公司的变焦镜头在加工方面也取得了一系列进展［ ６，７１。包括其固有的自定心和轴对称的装配，不用调整透镜元件的光轴准直，其中心偏差由机械保证，保证了运动过程中的像质。Ｂａ ｒｒ＆Ｓｔｒｏｕｄ公司设计了一系列用于扫描成像系统的红外变焦镜头［１９１。它们工作波段为８－１３ｌｉｍ，连续变焦范围至少是３：１，理想时可达１０：１．它采用机械补偿的方法减小了整体长度。变焦望远镜头分为五组元：前后固定的主物镜组、变焦组、补偿组及目镜。变焦距物镜组成一个分系统，目镜到补偿组元组成另一分系统。后者可以置换以匹配不同的扫描系统，并将减小无运动部分的复杂程度。这是Ｂａｒｒ＆Ｓｔｒｏｕｄ公司的设计思想，即可以利用通用的变焦物镜置换同一系列的补偿镜／目镜匹配来适应不同的扫描系统。在前面的变倍部分采用硒化锌材料来消色差，其余透镜全部采用锗。透镜的所有表面均镀高效抗反射膜，除了主物镜表面需镀超硬膜。对于从最小超焦距到无限的调焦和温度调焦，由至少一组变焦组元的移动来完成。温度调焦是以电机伺服回路系统为基础的，此系统需有准确的温度探测装置。为适于Ｉ Ｒ１８ ＩＩ扫描器的装置，该变焦望远系统达到了在变倍范围Ｔ－１０，，视场角２３．２０￣ ４．６０的接近衍射极限的成像质量。采用扩大变焦行程并允许有较小的分辨率降低时，９倍的变焦范围和至少４２’的视场角的物镜是可以实现的。变焦物镜可与单独的补偿组和目镜组分系统相连形成变焦望远系统并和ＵＫＴＩＣＭ ＩＩ级扫描器联接。在全倍率和至少一半视场范围内该系统的分辨率接近衍射极限。作为系统的设计思想的一部分，Ｂａｒｒ＆Ｓｔｒｏｕｄ尤为重视在设计之初给出合理的公差使得加工过程中减小或消除公差问题。例如，对于加工和装配，中心厚度公差的补偿问题可由对辅助系统和目镜组设定适当的最小中心厚度公差和对变焦物镜设定最大中心厚度公差来完成。此外，变焦组元可以因物镜组元和其它光学元件空气间隔的改变依据设计额定值重新定位。通过倾斜或偏心至少其中一个组元来降低或减少其瞄准误差。倾斜或偏心变焦组元可有效降低其瞄准误差却不降低其分辨率。正确地选择滑架机械结构可降低瞄准误差到可接受的水平，同时也不需要其它辅助补偿组份。红外变焦距光学系统的设计最能代表当今红外折射变焦系统发展状态的是Ｒ． Ｌ．Ｓｉｎｃｌａｉｒ设计的３－５，ｕｍ波段的２０倍比变焦镜头０９１。设计用于３－５ ／ｕｍ波段范围的大变焦比的光学系统关键在于使用尽可能大的Ｆ数，但同时又要保证系统所成像的分辨率和系统的灵敏度不被严重影响，设计难度比较大。该系统包括变焦物镜系统和二次成像系统。变焦范围从２０ ｍｍ到４００ ｍｍ，变倍比为２０。变焦系统采用的是“正负正正ｎ机械补偿结构：前固定组为一个单片正透镜，其后是负的变倍组和正的补偿组，在二次成像系统前是一个双分离的正后固定组。二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证１００％的冷屏效率。在后固定组和二次成像系统之间加入一个反射镜对光路进行折转，这样系统的总长度（包括探测器在内）小于３００ ｍｍ。前固定组和变焦组都是由衍射元件构成的，这样可以使整个光机系统的设计得到简化，系统在整个变焦范围内的光学性能接近衍射极限。系统的变焦过程如图１．１所示。图１．１ ３－５ ，ｕｍ波段的２。倍比变焦镜头系统变焦过程第一章绪论２．反射式变焦系统 反射式结构在红外系统设计中被广泛采用，因为反射系统具有如下优点：１． 用反射结构容易设计出长焦距、大孔径、体积小、重量轻的光学系统。２． 反射式红外系统不受红外光学材料的。最早的红外反射变焦物镜大多采用卡塞格林系统和格里高里系统［ ＂Ｏｌ， ８０年代Ｒｏｂ和Ｌｅｅ设计了一种全部用球面的轴向对称长波反射变焦系统，其焦距范围６６．６７－１２３． ３ ｍｍ，系统采用卡塞格林系统，结构如图１．２所示。中焦图１．２ ２倍变焦反射系统目前最先进的共轴红外反射变焦物镜为著名的阿拉巴马州应用光学中心研制 出的一种四个全反射元件组成的变焦系统。它作为望远系统具有宽和窄视场并适用于多个波段的能力。其焦距变化范围７．３７＾－２９． ４６ ｍｍ，最大视场角６０，其Ｆ数为３．３，变倍比为４倍。它采用卡塞格林一反转卡塞格林结构，由两组运动的变焦组份组成，反射镜全部是非球面镜。共轴反射系统还有中心遮拦比高的缺点，使得靶面中心亮度不够，而离轴反 红外变焦距光学系统的设计射系统可以解决这个问题。９０年代末，离轴三反式红外变焦系统设计成功，系统由三面非球面镜组成，如图１．３所示，主镜相对于入瞳固定，第二和第三次镜移动实现变焦，Ｆ数的变化范围为４－８。这种光学系统没有补偿单元，即像面位置随着焦距的变化而变化，系统的尺寸长度小于６５０ ｍｍ，大于３２０ ｍｍ，光学系统中距离入瞳最近的面与入瞳的距离大于３５０ ｍｍ，畸变值在３％－５％之间，在３ｐｍ一５ｉｊｍ和８ｕ，ｍ一１２，ｓｍ两个波段工作时系统的光学性能接近衍射极限。主镜第二次镜像面第三次镜图１．３离轴三反红外变焦系统３．折反射式变焦系统折反系统的设计是将反射、折射系统结合起来设计，大口径红外系统往往也 采用折反结构［ｕ１．共轴折反式系统在进行变倍时，不能像透射式光学系统那样做到变倍过程中相对孔径保持相对不变，这样折反式系统变倍过程中短焦时会造成光线全部被遮拦。因此共轴折反式系统的相对孔径在变焦过程中是不断变化的，一般主反射镜为孔径光阑（又为入瞳），短焦时相对孔径大，长焦时相对孔径小。光学系统示如图１．４所示：图１．４折反式变焦系统图１．４中的光学系统的工作波段为８ｕ，ｍ一１２ｐｍ，中心波长为１０．６，ａｍ，入瞳第一章绪论直径为５００ ｍｍ，焦距变化范围为７５０ ｍｍ ＾３０００ ｍｍ，变倍比为４，采用的是三组元机械补偿结构，系统中的透镜全部为单透镜。系统在变焦过程中实现了像面完全稳定，且在各变焦位置传递函数接近或达到衍射极限。第二章红外探测系统基本参量的确定第二章红外探测系统基本参量的确定２．１红外与可见光系统的联系与区别红外变焦系统的发展是建立在可见光变焦系统发展的基础上，所以它们在成 像过程、系统组成、初始结构设计、光学冷加工等方面有很多相同之处ｎ３）。如图２．１所示。图２．１光学系统简图 但红外系统和可见光系统的区别也是非常明显，主要表现在１４２１．ａ）目标。可见光系统的目标靠主动发光或反射光源的光线被探测，而红外系统的目标靠自身的热辐射被探测。ｂ）接收器。可见光系统接收器主要有胶片、人眼、ＣＣＤ．胶片是将目标在胶片上感光成像，人眼是将目标在视网膜上成像，ＣＣＤ利用光电转换功能将投射到ＣＣＤ上面的光学图像转换为电信号“图像”。而红外系统则利用探测器采集目标的辐射能量，因此相应光学系统得性能和质量，应以它和探测器匹配的灵敏度、信噪比作为主要评定依据，而不是以光学系统的分辨率为主要评定依据。ｃ）波段。可见光工作波段为０．４ｕｍ一。．７５ｉ１ｍ，工作范围窄；红外工作波段为３ａ，ｍ一５／ｔｍ或８ｐｍ一１２．ｕｍ，工作波段宽，探测器接收的红外辐射波长范围是可见光波长范围的十到二十倍，即红外系统的衍射极限是可见光的十到二十倍，这就要求用于焦平面成像的光学系统对像质的要求都接近衍射极限。ｄ）光学材料。可透可见光的材料非常多，给设计者提供了很多种搭配以获得良好的像质，且价格低廉、透过率高（大于９９％）、波段窄，镀膜容易；普通光学玻璃对２．５ｐｍ以外的光波不透明，故透红外的材料很少，材料多为晶体结构，价格昂贵、透过率低（低于９６％）、波段宽，膜层不易设计。ｅ）热效应。红外光学材料的折射率温度变化系数比可见光大一个数量级以上，在设计红外光学系统时一般还要考虑对温度进行补偿。）色差。可见光材料阿贝常数比较低，色差难校正；而红外材料阿贝常数很高，ｆ色差对像质的影响不大。９）焦深。可见光比红外光波长短，故焦深比较小；红外系统焦深大，对成像有利。红外变焦距光学系统的设计ｈ）加工工艺。可见光材料工艺性较好．红外材料多为晶体，硬度不高，不易控制面型精度。ｉ）装调。可见光系统人眼可直接观察，方便装调；红外系统只能借助一定仪器观察结果，不易装调。２．２目标辐射特性２．２．１目标的光辐射特性红外辐射具有可见光的一般特性，如直线传播、反射、折射、干涉、衍射等 性质。同时，它还遵循着固有的规律，这些规律揭示了红外辐射的本质。主要有基尔霍夫定律、斯蒂芬一玻尔兹曼定律、维恩位移定律和普朗克定律ｆｉｉ，ｉ找基尔霍夫定律指出， 物体的出射辐射度和吸收本领的比值与物体的性质无关，该比值对所有物体来说是波长和温度的普适函数，都等于同一温度下绝对黑体的出射辐射度，即有名的基尔霍夫定律，其表达式为：Ｍ，＿一＝气（ ２－１）。该定其中ａ，为物体的吸收率，Ｍ＂为物体的辐射出射度，凡为物体辐射照度律表明，吸收本领大的物体，其发射本领也大，如果物体不能发射某波长的辐射能，则它也绝对不能吸收该波长的辐射能；反之亦然。吸收和发射所有波段的辐射体叫绝对黑体，即发射率为１的辐射体。在自然 界中，绝对黑体是不存在的，但是可以根据要求，做出与绝对黑体性质非常相似的黑体，称为灰体，其发射率必然小于１，认为与波长无关。 斯蒂芬通过试验得出了黑体的辐射出射度Ｍ与其热力学温度Ｔ的四次方成正比的结论，之后，玻尔兹曼从理论上证明了该结论，称为斯蒂芬一玻尔兹曼定律。其表达式为：Ｍｅｅ二ｆＭ．ｕａ“一ｖＴ４（２－２）式中，Ｍｂ ６为黑体的总辐射本领（Ｗ／ＣＭＺ）． ｖ为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，Ｔ为黑体的热力学温度（Ｋ）， ．１为波长（＇ｕｍ）．维恩指出，黑体辐射的频率与温度应以比值的方式出现，即得出了维恩位移 定律：第二章红外探测系统基本参量的确定Ａ Ｔ ＝ ｂ （２－３）式中，人为黑体辐射出射峰值对应的峰值波长，Ｔ为黑体的热力学温度（ Ｋ），ｂ为与温度无关的常数，近似值为２８９８．８，ｕｍ － Ｋ。维恩位移定律表明，黑体辐射最大值对应的波长随温度升高而向短波方向移动。１ ９００年，普朗克提出了量子假设，在此假设前提下，得出了黑体辐射的普朗克公式：＝丘．１Ｍｉｂｂ（２－４）Ａ５ ｅｃ，Ｉ（ＡＴ）一１式中：Ｃ Ｉ是第一辐射常数，ｃ，＝３．７４Ｘ１Ｏ８（Ｗ＂，ｕｍ＇１ｍ２）， Ｃ２是第二辐射常数，ｃ２ ＝１．４４ＸＩ０＇（ｕ，ｍ－Ｋ）ｏ红外跟踪系统最主要的目标是飞机、坦克和士兵等，其辐射主要来自气流、 热发动机部位、自身热辐射等阴。它们可以视为灰体，灰体的光谱辐射出射度曲线与黑体的辐射出射度曲线有相同的形状，但其发射率小于１［ｌｑ。将以上公式写成适合于灰体的形式，若假定目标温度取ＴＫ，面积取ＡＣｍ２，可求目标在全波段的辐亮度Ｎ和辐射强度Ｊ：ｏｒＴ４ 万 －５）（２Ｎ＝—句（２Ｊ＝ＮＡ其中，ｃ为目标有效辐射发射率，。为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，Ｔ为目标温度，单位Ｋ。２．２．２红外大气透射率的计算在实际大气中，尤其是地表附近几千米的大气中，大气分子的吸收和散射同 时存在，它使目标信息衰减，图像边缘模糊，因此在系统分析和设计过程中，要对红外辐射在大气中传输时大气吸收和散射进行估算。大气透过率计算比较复杂，实际计算时将大气平均透过率进行近似计算： 双幻＝Ｔ．（Ａ）Ｔ，（Ａ）（２－７）红外变焦距光学系统的设计其中Ｔｏ（幻，Ｔｓ（幻分别是与吸收和散射有关的透射率． 选取典型气象条件：环境温度２５１Ｃ，相对湿度８０，能见距离６ ｋｍ。由温度，相对湿度为参变量，查海平面水平路程上的水蒸汽和二氧化碳的光谱透射率表（ｕ］可知，水蒸气透过率为０．７８，长波二氧化碳透射率为０．９９ （１Ｏｋｍ内）． 大气散射透过率的计算有多种办法１１５１，其中气象学距离模型的常用的简化模型。假设气象学大气能见距离为试计算水平路径上ｄ上大气光谱透射比叹Ａ，ｄ）的经验公式［１１］为：ｚ， （Ａ， ｄ）＝ｅｘｐ（－３．９１２（｝）４｝（２－８）久 凡０．５８５ｄ，１／３ ｄ， ＜ ６ｋｍ１．３ ６ｍ ＜ １ｄ， ＜ ８０ｋｍ ， ｄ，为能见度，取峨＝６ｋｍ， ｄ＝５ｋｍ．１．６峨＞８０加ｆｓｅ其中 ｑ 一－吠．ｅｓ二（．１， ｄ） ＝ ｅｘｐ（－ －３９丝（马，，‘ｘ５） ＝ ０．８９８８９８ ｘ０．９９ ｘ０．７８＝０．６９．长波在距离５ ｋｍ的总透过率为ｚ＝０．但是考虑到气象条件的多变性， 结合查阅相关资料，大气总透过率酌情减少为平均值０．５［１４，１６，７１，１８１．２．３红外探测系统探测距离的研究红外传感器系统主要由红外光学镜头、焦平面探测器（接收器）和信号处理 电路组成，红外图像探测器接收外界背景目标的信息，产生标准的视频信号。红外探测器的性能评价有很多方式。在这些不同的评判标准中，最通用的评 判标准是噪声等效温差ＮＥＴＤ。在选定红外探测器的情况下，其ＮＥＴＤ的数值也是确定的。对于凝视型红外搜索跟踪系统的作用距离［１６，１７１就可以相应的估算出来。式中ＡＩ ＝７ｋ －ＬＷＡ为目标与背景的辐射强度之差，Ｉｔ为目标辐射强度， ，．‘６ 一１０－Ｒ２＝；ｒ－Ａｌ喜Ｔｏ －Ｄｏ三（ｒｉｍ） １／２ ２４２Ｆ－ ＳＮＲ田－９）为（２Ｌｂ第二章红外探测系统基本参量的确定二，二，、、、．。＊一，Ａ、，￣‘，，二二．。＿二二。，。，、，、，。￣胃京描Ｎ度，凡刀日怀四Ｖ：，口＝二了刀Ｕ外尔珑［Ｎ瞬盯立体优１０用，Ａ刀ｉＭｆｊ１－ 器有效光敏面积，ｆ为光学系统焦距，ｆ为大气透过率，Ｔｏ为光学系统透过率，Ｄｏ一为光学系统入瞳直径，Ｄ＇为探测器的探测率，Ｆ为相对孔径，ＳＮＲ为系统信噪比，ｔ．ｉ为探测器积分时间。作用距离公式中的探测率Ｄ＇可以通过ＮＥＴＤ来求解［Ｉ气Ｄ＇＝４Ｆ２Ａｆｏ Ｔａ毒２／＇ ２ｃ２ｒｏＮＥＴＤ －Ｗ，Ｂ心１２（２－１０）其中毓一止为探测器噪声等效带宽，ＴＢ背景温度，吞为峰值波长，ｃ２为第二辐射常数，ｗ２Ｂ为背景普朗克光谱辐射强度，Ａｄ为单个像元面积。第三章变焦系统结构理论分析第三章变焦系统结构理论分析３．１变焦系统基本理论 红外变焦距光学系统和可见光变焦系统的变焦原理相同，由于每个组份焦距一经设计与加工之后就是固定不变的，所以要实现变焦，只能改变各组份之间的间隔。 改变组份之间的间隔，系统的像面就会随之移动，为了消除像面的有害移动，需要有的组份做抵消像面移动的补偿运动，从而产生了不同的补偿方式。几个运动组份固连在一起作同方向的移动，达到在变焦的同时能减少像面移 动，这种系统为光学补偿系统。各个运动组份按照不同的运动规律作较复杂的移动，达到完全防止像面移动，这种系统为机械补偿系统，它需要用机械加工方式加工成高精度的凸轮，保证运动组份的准确移动，从而有效地防止有害的像面移动。随着机械加工水平的逐渐提高，机械补偿式的优势愈加明显。目前，大多数变焦系统都属于这种补偿形式１，９１３．１．１变焦过程中的基本理论如图３ ．１是一个变焦系统【１９１呐和盛在变焦过程中是固定不动的，分别叫做前固定组和后固定组，０２和Ｙ＇３叫做变倍组和补偿组，它们均代表等效透镜组。在变焦过程中，它们有着自己的运动规律９和△，移动量用凸轮来控制。变倍组沿光轴作微小移动９，补偿组则相应地沿光轴做微小补偿移动△，从而保证像面的稳定。图３． １变焦系统示意图变焦距系统的使用［２０１应满足如下基本要求：１ ）均匀改变焦距；红外变焦距光学系统的设计 ２）变焦过程中像面保持稳定；３）相对孔径基本保持不变； ４）成像质量符合要求。 系统焦距的改变是依靠组份之间间隔的改变来实现的。由高斯光学知，两个 组份呐和人构成的系统，如图３．２所示，其总光焦度为｝Ｐ＝妈十热－ｄＡＶ， ［２ｐ，由于组份鸽和ｖ＇２的光焦度妈和ＯＰ２是不能改变得，欲改变此系统的焦距，即改变它的总光焦度ｑ，，只能依赖于改变它们之间的间隔ｄ来实现。变焦系统焦距的改变，就是合理地改变活动组份相互之间的间隔。图３．２系统总光角度与间隔的关系系统像面的稳定，即像面位移的补偿依赖于各个运动组份共ＩＶＥ距改变量的总和为零来实现，即Ｙ４＝０（３－１）图３ ．３是由鸽和丸两个组份组成的系统。物点为Ａ，像点为Ａ＇．娥和人的共扼距分别为Ｉ，和Ｌ２，合成共ｗ距为；ａ＇ ＡＡ＇ ＝７，， ＋ｈ，如果Ａ向右移动４，它的共辘距乌改变妈．为了要保持像点仍为才不变，０２就要作相应的移动△，以使它的共辘距４变化，其改变量为＇＂－２ ＝－鹤，从而使像面不动。所以要保持像面不动，必须艺 Ａ４二０，即各个组份引起的共扼距改变量能完全抵消．在变焦系统的整个变焦过程中，在变倍组移动时满足像面稳定的补偿组的位 置可以有两个，这里可以通过物像交换原则来求解。六图３．３共扼距关系图第三章变焦系统结构理论分析当组份处于实线位置时，纵向放大倍率为当组份处于虚线位置时，纵向放大倍率为：如果取Ｉ，，＝一，１，＝一‘，即把物和像互相交换，有：兰．＝上一前后两个位置的倍率之比，即变焦比为：２Ｍｒ一ａ一牛＝衅几 ￣生码 物像交换原则也就是说对任何一个组份，都可以有两个位置实现共辘距不变， 即物面和像面稳定不变，而在这两个位置上，倍率互为倒数。 物像交换原则有以下特点１２）．１ ）变焦系统的任何运动组份时刻有两个物像交换位置，对每个运动组份都存在孪生的两条补偿曲线；２）组份在此两个物像交换位置上的纵向放大倍率互为倒数，即码一上；几 ３）变焦比ｒ＝ｍ，＝・即。＝士泥，、＝士金：４）组份在这一对物像交换原则位置上共辘距不变．物像交换原则是实现变焦的基础，它对研究、分析变焦系统有重要的作用。３．１．２机械补偿变焦系统及其变焦方程１．变焦方程的建立 （１）方程形式的讨论由于只有运动组份才产生像面位移，所以分析运动组份。物点不动，对于变 倍组０２，移动内，引起整个运动组份的像面移动为１？４（１一Ｍ ２，由于补偿组０＇） ｄｑ３ ＇移动“，引起整个运动组份的像面移动为（（Ｉ一耐）ｄＡ，为达到像面稳定，两个像面代数和需为零。即：红外变焦距光学系统的设计耐（１一０１４ ）ｄｑ ＋（１一耐）ｄ０＝０其中０１２． ｍ，分别为变倍组、补偿组垂轴放大率。（ ２）方程解的讨论（３－２）再利用几何光学的高斯公式可得肉＝ ，ｄ４＝ ｆ，＇ｄｍ，，带入式（３－２）化简一－ ？ １０２ｄ１２人得到变焦过程微分方程１１９１一了万－－Ｊ２ －２ －－甲万－Ｊ３ ＂＂３一ｕ１２ ０ １３０１－ｍＺ，，二，１－１１４，，、＿。（３－３）式中：万是ｖ＇２的焦距，ｆｓ是Ｙ＇３的焦距。求得式（（３－３）的特解为刃阵一上＋、一、。十万户一上＊、一、）一。（３－４）妈 ｍｇｒ几ｍｊｒ从而可以利用补偿组的 其中ｍｇｒ＇ １０３，分别为长焦时变倍组和补偿组的倍率，倍率０１３构成二次方程（３－５） １０，２－ｂ ．，十１＝。式（ ３－５）中ｂ＝一＋ １０２一ｍｖ） ＋（上＋０１３１）Ｌ（共阵一１－Ｌ－人％飞ｍｙ码１ （３－６）解０１３的二次方程得：码１＝ｂ＋ ｂ２ －４２ ｍ３２＝ｂ一ｂ２ －４２ （３－７）（３）系数ｂ的讨论当ｂ＞０时，ｂ＞福石，有码，＞０，码，，。，为负组补偿系统。进一步，如果有ｂ＞２，有ｍ＞１， ０＜ｍ，２＜１．当ｂ＜。时，ＪｂＩ ＞福二，有ｍ＜０，、＜０，为正组补偿系统。进一步，如果有ｂ＜一，有｝＂｝ｉ卜１，｝、卜ｔｏ反过来，在不同的系统中，系数ｂ是很重要的四。由式（（３－５）知ｂ一上十码，可以看出系数ｂ的正负完全取决于Ｍ３的正负．例如正组补偿系统或双组联动系第三章变焦系统结构理论分析统，ｍ； ＜ ０，则ｂ＜Ｏ；负组补偿系统，ｍ， ＞ ０，则ｂ＞Ｏｏ（ ４）无解区域＋ｍ，，根据。＋ｂ？２ ａｂ，可知｝ｂｌ－＞２。所以几无解发生在ＪｂＩ ＜ ２情况下，这说明变倍组热提供补偿组０３的前后截距总和小于２１川，即要求补偿组的共婉距小于４｝ｆｊ。（５） ｍ，极值讨论对式（（３－３）求微分Ｅ ａ＝．止丛二—（３－８）ｄｒｒｈ １一ｍｈ｀ ｝．．一下丁百力 １ －ｍＺＺ １．．几 令 ｄｍｎｈ，， －０得ｎｅ，＝士，，即“Ｍｓ取极值的条”。”有光焦度的组“，产不考虑ｍ２ ＝１，所以乓曲线极值一定发生在ｎｈ ＝－１时．这样对变倍组人，共扼距几达到最短。峡在一１前后变化，变倍组总有具有相同共辘距的两两对应的位置，并要求４移动相同的位移△来补偿，因此０３的补偿曲线出现极值。 ｍ２ ＝－１时分析变焦过程重要的特征点，恰当地利用这一点可设计出外形紧凑的系统。这时Ｍ３曲线到底取极大值或极小值，要由具体情况决定。当ｂ＞Ｏ时，例如负组补偿系统，有ｍ ＞１． ０＜ｍ，２ ＜１，所以码，取极小值，、取极大值。当ｂ＜Ｏ时，例如正组补偿系统，与前种情况相反。（ ６）换根讨论、＝－１时，ｎ发生极值．一般情况下Ｍ ３有两个根，两补偿曲线分离。通过调整初始值、和＂ｈｉ，使｝ｂ卜２，则、．，、均为一１，即它们在、＝－１时相切，从切点处换根，即从码。曲线换到１１％曲线上，或从、换到０１３１，以便达到补偿曲线单调变化，变焦比增长迅速的目的。换根时应注意：当ｍ２ ＝－１时，若码无解，换根无法进行；当０１２ ＝－１，ｎ２；虽然有解，但囚不准确为２． ｎ｝：曲线和＂｝２曲线互相分离，衔接不好，平滑换根仍不能实现。这时只能调整ｍ２，和０１３１，即求出ＩｂＩ ＝２时的Ｍ２，和０１３，的值，从而解出红外变焦距光学系统的设计平滑换根条件下系统应该有的ｄ，或４１２，的值。 （７）最速变焦路线最速变焦路线就是指在可能的补偿曲线中取使运动组份之间间隔变化最快的 路线［２４１。为了实现最速变焦，应当选择几成比例变化的几的曲线。对于正组补偿系统， ｂ＜０， １＂１３１卜１＇ Ｉｍｓ２ｌ？１。从码，的上半段曲线１＂３， ＝ ＂１３２ ＝１点，换根到１＂３２上。这条曲线就是它的最速变焦路线。如图３．４所示，对正组补偿系统，补偿组沿所示最速变焦路线，间隔ｄ２３变化最迅速。、气，、． 尸， 矛、 ；ｔ ，、尸 目 －一－－－月一一． 一’＼（ ８）物像交换的讨论， ，声 ，厂、 户． 。＿１图３．４正组补偿系统最速变焦路线对于变焦距系统，变倍组Ｙ ＇２每处于一个位置，相应于一个伙，则有补偿组３＂３的两个位置码，和１＂３２与之对应，由式（（３－７）可以看出ｎｈ，一止．反之，每一个１＂３．＂３１ ２也有两个变倍组的位置ａｔｅ， ，、与之对应，此时、，一上．功２２ 某时刻，变倍组ｖ＂２处于某一位置，对应着一个共扼距Ｌ２，这个Ｉ２可能由０２的两个位置１＂２２和Ｔ２，提供。与Ｌ２对应，有一个补偿组０３的共辘距几，这个Ｌ３又可以由鸡的两个位置码：和、实现像面补偿。换一时刻，又如有该时刻的１＂２２和峡１以及鸭，和１＂３２。所以当系统焦距连续变化，每瞬间每个运动组份都有相应的物像交换位置，这就是整个变焦过程。所以在变焦系统中凡是提到物像交换原则，对所有运动组份都存在。一３．１．３其他变焦系统及其变焦方程１．双组联动系统 典型的双组联动系统如图３．５。它有两个变倍组０２和Ｙ＇４固连在一起作线性移动，有一个补偿组＇Ｙ；，相对于变倍组作微量补偿移动，因此它兼有光学补偿和机械补偿两种特点１２５１。在整个变焦移动过程中，成像质量良好，运动组份移动曲线比较平缓，有其特有的调焦方式，使其在近距离物体成像时不致引起视场角的变化和口径的明显增加。第三章变焦系统结构理论分析图３． ５双组联动系统运动图 这种变焦系统是一种较为优越的型式，它的典型代表是库克（Ｃ１＜Ｈ．Ｃｏｏｋ）所设计的瓦罗塔尔一３０型（Ｖａｒｏｔａｌ－３０）１６－１６０ ｍｍ彩色电视变焦系统１１９１ 和前面分析方法类似，只研究运动组份１＂２，汽和Ｙ＇４．由于变倍组７ ２的微小移动引起整个运动组份的像面移动为：耐讨（１一讨）电，组份１｀＂３的微小移动引起的像面移动为、２（１－ｍ２２）ｄＡ，组份么引起的移动为（（１－ｍ４２）ｄｇ４ ０为保持像面稳定必须有ｍ４ ２＂，２ （１一ｍ２２）ｄｇ２ ＋Ｍ４２（１一ｍ２２）ｄｅ＋（１一ｍａ２）ｄｇｅ ＝０二相。孟“，二．。，，二Ｊ ＿Ｊ ４ Ｆｎ Ｊ－匕，，，，，、Ｊ＿＿人‘￣Ｉ ＩＵ ＩｌＷ处，竹４１牧以Ｎ Ｔ－ｌＹＪ里ｕｗｆ２ ｒ ｕ－ ＴＷ ｕ４（４ Ｊ Ｉ口ｉ２ｐ ＲＪ７Ｃ３Ｆ／＇Ｊ：“任２一于，了“介气，伙 丸一刀机，ｄ△一（１一、２）＂Ｙ２十共帆代入式（（３－８）得双组联动变焦系统的变焦码 方程：（１一ｍｚ２）２儿１ｄｍ４ ＝ ０．ｆｚ ｚ＋（１－ｍ２ ３２），｝３｝ｄｍ３＋（１－２）ｍ３ ｍ４（３－１０）２．三个相邻的运动组份组成的系统这种变焦系统的特点式三个组份各自移动，达到像面补偿［２６１。系统如图３．６．红外变焦距光学系统的设计图３． ６三运动组份变焦运动图和前面分析方法类似，为了达到像面稳定，需满足（ １一ｍ２２）ｍ，２ｍ，２ｄｇ２ ＋（１一ｍ３２ ）ｍ，２ｄｇ３ ＋ （１一ｍ ２）ｄ９， ＝ ０各运动组份的微分移动与倍率变化关系为：＂Ｎ２＝竺下＂１１１２’＂１１４ － Ｊ４ ＂１＂４’＂ｙ３＝伙 Ｊ＿＿ｆｚ二Ｊ＿＿，，二＿（１一Ｍ２２），，二＿．ｆ３二＿Ｊ２ ＂１１１２宁竺万＂１１１２几 带入并化简得运动方程为：（１一ｍ２２）ｚｄｍ，＝。儿ａｍｔ十－７７２，一儿ａｍ， ＋一巴 ２－人＇几 几（ １一ｍ，２），，，（１－ｍ，２）（３－１１）这个系统除了没有电＝电外，其解法与瓦罗塔尔一 ３０系统相似，有相同的变焦方程。变焦部分由三组份组成，两组份０ ２和人被固定组０３隔开，像面稳定所需方程为（ １一、２）ｍ，２ｍ，２ｄｑ＋（１一ｍ４２ ）ｄＡ＝ ０只下“，＝丁甲了＂１１１２’廿‘Ｉ＿－ｆ１，＿＿几 ｄＡ＝ ｆ， ｄｍ‘带入上式，得到变焦方程：３－１２）ｍｓ ｚ （１－ｍｚ ２ ｆ２）刃奴理 ｚｄｍ２ ＋（１２ －ｍ４ ｆ２）４ ｄｍ，＝。（ｍ２ ｍ４如果从运动组份共扼距改变量最后应互相抵消的角度来考察，方程（ （３－２）就是下式：ｍ， ２ｄＬ２＋两＝０（３－１３） 可以看出运动组份若被固定组份隔开，则变焦方程中需要把固定组份前的运动组份的共辘距改变量经固定组份纵向放大之后，与固定组份之后的运动组份引起的共扼距的改变量相抵消，实现像面补偿。为了解这种系统的变焦过程，需要把固定组的纵向放大率用己知量表示出来。第三章变焦系统结构理论分析把式（（３－１０）， （３－１１）与式（（３－３）比较发现三者形式完全一样，前两者仅比后者增加一项。由此推演可知，对有任意个运动组份的变焦系统有方程１１伙军争ｆ， ｄｍ，一０（３－１４）３．２机械补偿法高斯光学３．２．１机械补偿变焦系统高斯解分析负组补偿式是变焦系统中的基本类型之一，它的补偿组０ ３的光焦度为负，它的运动方式与正组补偿和双组联动系统有较大区别。当系统由短焦向长焦变化时，变倍组０２和补偿组鸿先是互相分离然后靠拢最后一起向右移动，补偿曲线较为弯曲１１９１图３． ７负组补偿系统的运动因为负组补偿的补偿曲线比较弯曲，要照顾到长焦时变倍组和补偿组不致相碰 ，又得照顾到中焦时它们不致相碰，这使得计算起点不易选择。 若变焦曲线在中焦处变倍组与补偿组的距离最小，则取ｎ２１． ＝－１，内． ＝ ０．３，利用ｎｈ．＝－一一ｒ＇一一，ｆ２ ＇（１一ｎｈ．）一ａｎ． ＋ｆ；＇再由Ｍ２１，代入式（（３－６），一兵甲Ｍｙ＝－－丁一一。ｂ－ ｂ２． －４Ｌ 由于初始位置选取为ｒｒｌｚ， ＜ ０的负组补偿系统，它的ｎｈ，必定取在ｒ＇２ ＜ ０对应的 ｂ一ｂ２ －４Ｍ３１＝一一万一所表示的一段上。计算并比较中焦到长焦补偿组和变倍组的移动量△‘和９．，的绝对值的大小，其中红外变焦距光学系统的设计儿，一ｍ３△。，＝Ａ ＇（Ｍ３。一ｍ３，）＝儿’（ １）儿’一２．３（３－１５）４ ，．１ ＝ Ａ＇（ １一与一上峡。码Ｉ ｍ２１如果】△，卜｝４别说明曲线的最窄间隔发生在中焦。则可以满足＝ ０．３。ｍ２． ＝－１，ｄ２３．（３－１６）其中ｂ２、＝一－２’ｂ＝一十、，一、）十户＋、）ｍｓ．ｍｓ ．再由此时求得的ｍ２１和码，作为起点，计算曲线．若｝△‘卜｝‘小说明曲线最窄间隔发生在长焦，则按照选定、，给定屯＝ ０．３，计算ｍ３１ 石，以Ｍｕ和ｎｈ，为起点，计算曲线．ｆ ２＇（１一、）一ｄ． ＋ ｆ，＇由初始数据万，万，、及它们所确定的ｍ３，计算要达到预定变焦比，变倍组和补偿组所需要的移动量。依据公式如下：＂ｈ拼气—＿＿，１．４、 －１１人２＇ｎ 宁甲下夕甘／｀ＪＸ‘ 口，３１＇Ｃ９｝ｙｊ ｍ ｒ，、Ｔ“户一，丁飞－一一、‘位。。、二，＊‘＿ｆ２ ， １ ｆ３ ＂｝码矛选取的结构是稍偏离物像交换的负组补偿＋Ｍ，一ｍ２，）＋（ ｍ１ ３１＋ｍ３，），由于此例二 ｂ－ ６２－４叭几＝－一二一－－，补偿组的移动量 Ｌ ，ｍ２１ ｍ３１△＝厂（ｍ３－ｍＬ），系统的总变焦比ｒ－－逐步移动９直到达到预定的总变焦—伙几比为止。至此，可以通过公式 厂＝试２，十ｆ２＇（１一ｍ２．）Ｉｍ２，来计算厂，后固定组比较特殊，一般将其分为两个组元ｆ：和ｆ ；，前组元与前固定组、变倍组、补偿组组成一无焦系统，平行光入射、出射，这样的设计对后面的像差校正有好处，类似可知ｆａ ＝ｄ３４ｉ－ｆｓ（１一、）．第三章变焦系统结构理论分析第一和第二辅助光线高度，从一定程度上反映了像差校正的难易程度，且形 象地指明了应采用哪个组份去校正何种像差。第一辅助光线高度可以用以下公式计算ｎ 叹巧乡育几尸‘月 Ｌ＿１＂ｕ， ＝０（３－１乃ｕ，．． ＝ｕ， ＋ ｈｒ ｌ厂ｈ，．， ＝ｈ， ＋ｄ，，．ｕ，．ｉ第二辅助光线高度可以利用以下公式进行计算：与临蜘蜘其中，为像高。 ＝１／ｕａ／ｈ，（３－１８）＝０＝ｕｐ，一ｈｐ， ｌ厂＝ｈｏ， ＋ｄ，－，，，ｕａ，＿， 负组补偿系统可以按ｎ｝， ＞ ０的非物像交换原则设计，按物像交换原则设计，按、＜。的非物像交换原则设计［２７． Ｍ１按照、＞。的系统变倍组的倍率变化范围最大，Ｍ ２从一个正数经绝对值大的负数，到绝对值小的负数，依据ｍＺ ＝１时内最小，或者、时内最小，分为Ｍ型和Ｌ型．除了考虑以上两点以外，有时还应考虑ｒｒｈ ＝ ｔａｏ这一点。对应于；ｔ２ ＝１００这一点，变倍组的移动量为＊＝互，此。偿组移动量为△＝一‘ｂ＋ ｂ２ －４．ｍ２１ ‘按照物像交换原则设计的负组补偿系统，是一种较简单的负组补偿。这时， 变倍组在长焦和短焦位置满足物像交换原则，即补偿组处于同一位置。此时，变倍组１０ｚ的、只能取得比较靠上，否则若、取得靠下，又要物像交换，势必使变倍组和补偿组移动量相当大．与负组补偿非物像交换原则不同，此时ｎｈ从一个绝对值较大的负数，变化到一个绝对值较小的负数，总有、＜０。全系统变焦比ｒ＝ｍ＇ ，码 ＝１／，．，＝一面，变倍组的移动量＂｝． ＝ ＾｝ｒ，变焦比仅由变倍组的移几， 动引起，与补偿组无关，即补偿组仅起补偿像面位移的作用，对变焦比无贡献．红外变焦距光学系统的设计厂＝０．５＋ｆ２＇（１一ｍ２ｓ）／ｍ２， ＝１．５＋扼当ｍ２． ＝－１时，＂３ｍ＝（３－１９）一一一ｆ匕－一，ｆ ，＇（ｌ一ｍ２，）一０．３＋ ｆ＇带入式（ （３－１５）和式（３－１６），可以发现，此时总有｝△‘卜｝‘卜即负组补偿物像交换原则系统总属于Ｌ型。对物像交换负组补偿系统，由于总有｝１，只能取＜ｌ３＂ ｂ一４ｂ＇－４补偿组的补偿曲线只能为△：，这与正组前面的ｍ２１ ＞ ０的非物像２＝一一２ｍ一一‘交换负组补偿系统不同。物像交换负组补偿系统的运动形式较简单，它没有无解区，可在大范围内得 到平滑补偿曲线，这种系统主要问题是不易获得较大变焦比［２９１按、＜０的非物像交换原则设计的负组补偿系统，与ｍ２ ， ＞ ０不同，它的ｎｈ没有越过ｒｎ２ ＝。点，所以它的ｎｈ，必定是取在、一段上，即Ｍ３ｒ是ｍ；，ｏ由于不满足 物像交换原则，因而它的Ｍ２，取得比－扼更负一些．然而，它又不像ｍ２１ ＞ ０的非物像交换负组补偿系统那样严重地偏离于物像交换原则．除此之外，它与、，＞。的负组补偿系统的计算方法没有两样。三种负组补偿系统的比较１．关于变倍组Ｙ＇２倍率Ｍ２的选段把变倍组在变焦过程中移动曲线展开成一条倾斜的直线［ １９１，其倍率Ｍ２随之变动，如图３．８０图３．８三种系统Ｍ２比较图①物像交换系统：） ｍ２１＜。系统；③、，＞。系统几个系统中，物像交换原则负组补偿系统，ｍ２是从一个负的较大的数向上取到负的较小的数。ｎ＇２１ ＜ ０的非物像交换负组补偿系统更向下一些，ｍ２， ＞ ０的非物像交换系统取得最靠下面。第三章变焦系统结构理论分析２．关于总长和前固定组焦距厂就总长而论，物像交换负组补偿最长，、＜０次之，、＞。系统最短。就前 固定组焦距厂而论，物像交换负组补偿最长，ｍ， ＜ ０次之，ｍｚ， ＞。系统最短。因为厂＝０．５十ｆ２ （１－ｍ２ｉ）ｌｍ２ｒ，对几种方案均有、＜０，且有万＝－１ ，厂一１．５＋上１１９１Ｉ ｎ＇２＋１由于长焦时系统二级光谱基本上由前固定组焦距决定，所以物像交换负组补 偿的二级光谱最小。３．２．２负组补偿变焦系统高斯解求取实例为了直观了解变焦距镜头高斯参数求解过程，现采用实例分步介绍。 系统的初始参数：焦距： ２５－１５０ ｍｍ （Ｉ＇ ＝６ ＂）视场： ２场周１６．５０－－４．５８０相对孔径：１ ／３．５像高，：１ ０ ｍｍ结构形式的选择根据此系统，在这里选取ｍｚ ， ＜ ０的非物像交换原则设计的负组补偿系统。初始数据的确定采取偏离物像交换原则，令、的起点比一 扼更向下取，即取ｍｇｒ＝一，刃＝一，ｆ２ ＝－１。由于负组补偿曲线比较弯曲，为了避免长焦或中焦时变倍组和补偿组不致相碰，首先需要做判断，以预先留出余量。通过计算，此实例中，最窄间隔发生在长焦，ｍ， ２＝－４ ， ｍ ＝０．２８９８ ０计算变焦移动量及判断变焦曲线的平滑。经计算得间隔如表３．１所示：表３．１系统变倍组补偿组移动量及组元间隔补偿组变倍组前固定组与变倍组与补补偿组与后移动量变倍组间隔偿组间隔移动量固定组间隔ｓ短焦１．８００。９０００．５０００．１０００一１９３６０．５００１．４００１．８００１．卯６４０．９１１２０．５２４５０．３９８１０．３００００．６９３６ｓｍ次短焦ｍ中焦２：８８２７５５一１０１９００．７８８８０．７７５５０．６０１９０．５０００Ｉｍ次长焦Ｉ长焦２．２００２．３００２８红外变焦距光学系统的设计、；、｝＼ｌ一＼一蕊｛－一￣！一又一｝‘人｛二耳一工二：不一｛＼！一万－：一’一‘一下一又－图３． ，变倍组及补偿组变倍曲线 左侧直线为变倍组移动轨迹，右侧为补偿组移动轨迹，可以看出曲线平滑。计算各组元焦距及实际间隔代入前述数据得厂＝ ３．５５，刀＝１．９５２，为计算尺寸，设刃＝ ５０ｍｍ，可得到全系统各组份光焦度如下：ｑ，＝０．００５６． ｐ２＝－０．０２． ｒｐ，＝－０．０１， ｐ，＝０．０１０２．汽＝０．０１３３。各组份实际间隔如下表：表３．１各组份实际间隔前固定组与变倍组变倍组与补偿组间间隔 隔 ５短焦２５补偿组与后固定组间隔 ３４．６８３９．４４９５．３２４５．５６ｓｍ次短焦ｍ中焦如次长焦１长焦７０９０１１０１１５２６．２２５１４．９０５３８．７７５３０．９５１５｝一２５计算各组元第一及第二辅助光线高度和孔径表表３．２ ｈ高度及孔径人ｓ短焦３．５７１４７．１４２９Ａ １ｆ０．０２０１ｈ２３．０６８４４．３２６０５．２８１７＂２ ／．ｆ２一０６１４１５７．０００１６．４３４４ｈ，／ ｆ＇０．－０７００ｓｍ次短焦ｍ中焦ｌｍ次长焦１长焦０．０４０２０．０６０４０．１００６０．１２０７一０８６５０．１０５６－０．－０６４３０．－０６４７１０．７１４３１７．８５７１６．４６９０７．５１５７７．９９８１６．７９０８７．５４５４．１３５８０．１５０９－一０７３２０．－０８００２１．４２８６第三章变焦系统结构理论分析表３３ ｈ，高度及孔径ｈｏ，５短焦ｓｍ次短焦－２８．５０８９ｈｐ，／厂一１６０６ｈ，２－１６．７０６１ｈ，２ ／ ．＇２０．３３４１０．２１１００．１５４０ｈ，３一５５３２礴０４０８ｈ，７ ／．ｆ，ｉ０．０３５５０．０４０４－３５．３１９０－３４．３６０２－３０．８８６７一１９９０一１９３６－１０．５４９５一７０１４－５．０７０２－４．４８２５ｍ中焦ｌｍ次长焦１长焦－３．９７２７一刀８３５一５６１４０．０３９７０．０３０８１７４００．１０１４０．０８９７－２９．５２０５一１６３３０．０２５６３．３ Ｐ， Ｗ法求初始结构经过前面几个阶段，求得乓， 和万以及对应于此组解的厂，Ａｚ＇刃＇Ａ：以及它们在不同变焦位置时的第一辅助光线高ｈ即第二辅助光线高ｈｐ。有了这些数据就可以通过用最小二乘法解各组份的Ｐ０和ｗ０ｏ初级球差Ｓ， ，彗差Ｓｎ，像散几，畸变和数Ｓｖ，是各组份当物在有限远时君，ｗ，与ｈ， ， ｈｐ ， Ｓ＂的函数，其中１因前固定组，变倍组，补偿组，后固定组的不同而不同．ｐ ， ｗ，与物在无限远时的Ｐ，和ｗ．成线性关系。尸’和ｗ“不随各组份移动而改变。对一个变焦位置像差系数有ａ个，即方程数为ａ个。若考虑长、中、短焦位置，则有１２个方程。变量从前固定到两个后固定组共ｓ组，１０个。方程数多于未知量个数，只能用最小二乘法解［３Ｄ使得ｐ｀ ０和ｗ‘绝对值尽量小，便于选取合适的材料组合及弯曲去满足初级像差要求１３０１．首先确定一个组分用几个透镜组合，每个透镜取何弯曲形式，分解整组分的Ｐ，和ｗ０，求出每个单片透镜或胶合透镜的玻璃组合。再确定每个组份内各透镜的弯曲形式及各透镜的光角度分配比例。对前固定组，其特点是第一辅助光线的高度很高，主要应考虑轴上光束的走向。对变倍组，特点是第二辅助光线高，且变化大，因而应从第二辅助光线走向来决定透镜弯曲形式。对补偿组，两辅助光线高度均不大，变化也不大。因而其形式可以比较简单。对于求解出的初始结构，尸， 平法也可进行像差校正。变焦距像差的校正遵循“先分再合”的原则，先不考虑后固定组，将其他组份各自校正像差，保证变倍过程中各透镜组不会产生很大的像差变化，再将前面几个组份组合起来在变倍范围内等间隔取若干个焦距位置，保持各组份光焦度不变的情况下改变各组份结构参数，尽量使这几个焦距的像差尽可能接近，最后再考虑后固定组，使其产生与前数量相同但符号相反的像差，对前几组进行像差补偿，但是前面的像差也不能留很多，因后固定组要校正很多的残留像差是很困难的，特别是像散和畸变１１９１红外变焦距光学系统的设计 长焦时，前固定组第一辅助光线高度最大，其高度向短焦方向递减。长焦、短焦时前固定组的第一辅助光线，都是最大且变化不大，变倍组的第一辅助光线从长焦往短焦方向移动时迅速增大，此时对垂轴像差贡献很大。移动时像差情况虽复杂，但只需校正好上述各点位置像差即可。像高一定时焦距越大视场角越小，要达到要求的相对孔径则入射光束的口径 就要增大，此时轴向像差和色差不易校正。在短焦距位置时视场角最大，轴外像差不易校正。由于在变焦过程中，入射光束口径以及视场角等的变化使得整个系统的像差在各个焦距位置上各具特点。变焦距系统的像差设计一般都是分组设计的，即各组基本上都是的校正像差。 系统的入射口径以及视场角也既是前固定组的入射口径和视场角，因此整个系统的像差特性也既是前组的像差特性。在短焦距位置时入射光束视场角最大，主要校正轴外像差，如场曲、像散、畸变和垂轴色差等。在长焦位置时轴向入射光束口径最大，主要校正的是轴上和近轴像差，如球差、正弦差、轴向色差等。随着系统焦距的增加，轴外像差逐渐减小，而轴向像差逐步增大，因此在对前透镜组进行设计时，可以让它的视场角取短焦位置时的视场角，它的轴向光束口径取长焦时的光束口径，光阑距前组的距离按照短焦时光阑的位置计算，这样前组处于一个最难校正像差的光学特性位置，因此，如果在这样的光学特性下对像差给予了校正，则其它位置下的像差也就得到了校正。在实际的设计中，往往在这一光学特性位置下完全校正像差是有一定困难的，一般是尽可能好的校正像差，留待个别不能完全校正的像差，在以后组份结合起来的整个系统设计中进行校正和补偿。后面几组的像差特点不如前组明显，如果在一个位置下校正了像差，则在其 它焦距位置下的像差改变不是很大。不过后面几组的选择必须合适，产生的像差和前组像差的变化方向相反，以补偿前组不能校正的像差。尤其是最后一组的结构有可能比较复杂，以便补偿前面几组产生的高级像差。第四章光学自动设计方法第四章光学自动设计方法 光学系统像差的自动校正，也称计算机辅助光学设计，从１９５０年后经过不断探索创新，取得很多优秀成果，惠及工程光学乃至整个光学学科，并逐步形成了光学设计中的计算机辅助设计即光学设计ＣＡＤ．光学设计领域中有代表性的光学设计软件有ＯＳＬＯ， ＳＩＧＭＡ， ＺＥＭＡＸ．ＣＯＤＥ－Ｖ． ＳＯＤ８８。其中ＺＥＭＡＸ是由Ｆｏｃｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｉｎｃ发展出来的一套光学设计软件阅。它可模拟并建立反射、折射、衍射、分光、镀膜等光学系统。可以分析光学系统的成像质量，如各种几何像差、点列图、光学传递函数等。它还提供了优化功能来帮助设计。４．１光学自动设计法４．１．１基本概念 要用光学设计软件进行设计，就涉及到一些基本概念，在此做一简单介绍。１．结构参数 系统的结构参数，包括各面曲率半径，间隔，厚度和折射率等。２．评价函数评价函数表征各种像差和结构参数的关系，当改变结构参数使各种像差趋向 目标值时，评价函数则趋近于极小值，因此评价函数在一定程度上表征了系统的成像质量。像差自动平衡是同时对多种像差进行多因素校正，有了评价函数给计算机提供了单一的评价标准，便于计算机判断，所以评价函数一般来说是自动平衡的基础。评价函数的一般形式为：ＭＦ｀ ＿＿，丫Ｗ． （Ｖ． －Ｔ．）２乙Ｗ ，其中Ｖ，是操作数目标值，Ｔ，是操作数在进行优化函数计算时的当前值。Ｗ，是各种像差的权因子表征各种像差的相对重要性。ＭＦ２为各种像差与其目标值之差的加权平方值。表征系统成像质量与目标值的差距。３．边界条件在系统自动平衡的过程中，程序中规定了对某些参数值的，例如不允许 红外变焦距光学系统的设计正透镜的边缘厚度和负透镜的中心厚度太薄等等，这些条件成为边界条件，以保证自动优化得到的系统参数合理性。４．自变量系统在自动优化过程中人为指定的可以变化的量，包括各种结构参数。 ４．１．２自动设计过程在进行光学系统的自动设计以前，首先要求给出原始系统结构参数，构成评 价函数的像差和权因子，自变量和边界条件［［３３１。在原始系统结构的基础上，计算机自动算出系统的优化函数，然后各个自变量在原始数值的基础上，进行小范围变化，由此算出像差变化表，求出此表中优化函数的最小值，并提供此时的系统结构参数，此时需要设计者判断这是系统的极小值，还是局部极值。假如是局部极值，则需要人工加予干预，让程序跳过局部极值，再进行优化；假如是该形式的极小值，设计者再通过程序提供的像差评价功能来观察各种像差值和图形，并判断是否满足成像质量的要求，若满足要求，则再次改变权重因子，反复修改，以期得到完善的系统，如不满足要求，则需要重新选型。原始系统是自动校正过程的基础，即使在光学自动设计程序如此发达的情况 下，如何找到某一种结构形式的极值点，如何判断并跳出局部极值，这些问题依然得不到很好得解决，那种企图用几块平板玻璃，作为一切自动校正过程出发点的想法，虽然在自动设计发展的初期曾吸引过不少人，但实践证明这种想法是不现实的。虽然如此，光学自动设计程序仍然大大的推进了光学设计的发展，主要在于： 把光学设计工效提高了几十倍甚至更多：以前计算很困难的系统，例如变焦系统，现在都可以很顺利的计算了；在计算过程中可以方便的对不同方案进行比较，以选取最合理的机构形式；可以应用严密的评价方法，如光学函数的计算，保证了设计质量。４．１．３变焦距系统的自动设计 借助于光学设计软件的强大功能，除了利用通过高斯解求初始结构进行优化外，还可以通过另一种方法来设计变焦系统。步骤如下：１．根据系统的用途，制订参数； ２．判断系统所属的类型： ３．参考该种类型镜头的经典结构，分析系统的像差情况，来初步确定系统 的形式；第四章光学自动设计方法 ４．根据可以查到的专利，来选择和这一形式相近的具体结构，然后应用计算机辅助设计软件来进行修正。这一方法不需要进行繁琐的计算，初始结构建立快，但需要对结构形式有很 深的了解，因为初始形式的选择对系统设计结果影响很大。４．２设计实例４．２．１课题的提出 在分析法国ＵＬＩＳ公司生产的３２０ｘ２４０长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器ＵＬ０１０１１技术参数的基础上，对其进行红外变焦距系统设计。探测器的性能参数如表４． １：表４． １ ＵＬＩＳ探测器性能参数阵列规格：３２０＊２４０Ｆ数：Ｉ焦平面探测器：Ｇｅ响应波段：８－１４ ｕｍ占空因子：８０％积分时间ｔｗ：ｍａｘ： ６３ ｕｓ，ｍｉｎ： ６ ｆｕｓ像元尺寸：４５ｕｍ＊４５ｕｍ； １８ｍｍ＊１３．５ｍｍＮＥＴＤ： ＜１２０ｍｋ峰值波长寿：１０ ｕｍ帧拍：６０ Ｈｚ４．２．２光学系统参数的确定 根据北大西洋条约组织标准化协定规定，热成像系统作用距离分为探测距离、识别距离和看清距离。探测、识别、看清的最低分辨率为１：３：６＜线对／目标尺寸）ｐ４１若此要求对人体的识别距离是１加，下面根据镜头的物像关系分析确定红外镜头的焦距。依据上面给出识别分辨率的要求，在识别距离，人体经过红外镜头成像后至 少压３对像元。人的身高按Ｈ ＝１．７０ｍ计算，Ｒ为系统的识别距离Ｒ＝１０００ｍ， ｈ为３对即６个像元尺寸，并考虑填充因子０．８， ｈ＝６ｘ４５／０．８＝３３７．５ｕｍ，计算的镜头焦距应当为：厂二Ｒ－告二２００ｍｍ。在对人的识别距离下，短焦时至少应能探测Ｈ 、．‘，尸一、，，、．Ｊ＿ｈ＿＿＿一＿，．，Ｌ、＿。＿，＿￣＿，、＿，＿，＿＊．＿＿＿．到坦克，坦克按照２．３ｍ ｘ ５．２５ｍ计算，选取物高Ｈ ＝２． ３０ｍ，ｈ为１对像元，同理＊一２ｘ４５／０．：一，１２．５ｕｍ，计算的镜头短焦焦距为厂＝＊，奥二５０ｍｍ．现代反坦克Ｈ －－－一＿＿红外变焦距光学系统的设计导弹的射程多为２０００＾４０００米不等，故而，长焦时坦克的发现距离不应低于４０００米，若取二一５．２５ｍ，由、＝Ｒ．合，得Ｒ一９３３３ｍ，若取Ｈ一，．３ｍ，得Ｒ一‘０８８ｍ，均满足要求。００ ＝ ４．由系统长焦及短焦焦距可求得，变倍比ｒ＝二＿２人‘ 光学系统要与探测系统匹配，由Ｆ数为１，得入瞳大小Ｄ＝厂１ Ｆ ＝ ５０ｍｍ．对于红外探测系统的作用距离传统的分析方法主要以目标的辐射功率在探 测器上的响应是否满足信噪比要求为依据，可以先利用公式（（２．１０）计算出系统探测率Ｄ＇：Ｄ＇＝４Ｆ２瞬‘，几，吞ｃ２ＴＯＮＥＴＤ ＿Ｗ ．Ａ，１１２’其中‘一亡“探测器噪声等效带宽，、查ＵＬＩＳ参数，取为６０ｌｓｓ，Ｆ值为１，几背景温度２５℃即２９８Ｋ，再为峰值波长ｌｏｐｍ，ｃ２为第二辐射常数取ｃ２＝１．４４ｘ１０４／ｔｍ－Ｋ，ＴＯ为系统透过率，考虑到将来会添加增透膜，取为０．８，叽为背景普朗克光谱辐射强度取５００Ｗ － ｓｒ＇ ，心为单个像元面积４５ Ｆｍ ＂４５ ｆｒｍ．代入数值计算得到Ｄ＇＝７ｘ１０＂Ｗ－＇． ＣＭ． Ｈｚ，ｎ．因为与周围环境比热不同坦克与环境温差取平均值５ Ｋ，人体与环境温差取为２Ｋ。坦克在全波段的辐射亮度与环境亮度之差为：ＡＮＴＡＭ＝Ｅａ（Ｔ４一Ｔ４）＝６．７９ ｘ１ｅＷ－ｃｍ－２－ｓｒ＇，辐射强度与环境之差为汀 ＪＴＡ．ｗ ＝ＡＮＴＡ，ＡＴ．， ＝８２Ｗ －ｓｒ＇，经查表：在８－１４微米测量波段内的黑体辐射出射度为０．２６６，故有效辐射强度之差为ＡＩＴ，， ， ＝ ８２ ｘ ０．２６６ ＝ ２１．８Ｗ －ｓｒ－＇．对于人，同理△Ｎ，＝ｃａ（Ｔ‘一Ｔ４）＝３．５ｘ１０－４Ｗ．ｃｍ一ｓｒ ＇汀 对于男子，有效辐射面积平均值可取作０．６ ｍ２ ，ｄｌ，Ａｗ ＝ＡＮｍＡｗｍ ＝２．１Ｗ－ｓｒ＇，有效辐射强度之差留忌＝２．１ｘ０．２６６＝０．５６Ｗ－，一，。对１０００米处的人以及９０００米处的坦克分别求探测器的信噪比，代入式第四章光学自动设计方法（２．９） ＲＺ（ －， ）１／２，其中ｒ为空气透过率取值为０．５．‘为光学ｎ爆－２，ｒ２Ｆｒｏ－Ｓ－ＮＤＲｏ－Ｄ＇Ａ、．￣。，二二‘．。＿．一，．、＿ｉ，系统透过率取为０．８，几为入瞳直径取５０ｍｍ，。＝－：二刀鱿外杀玩刚瞬盯址体优场角，Ａ为探测器有效光敏面积为１８ｘ１３．５ｍｍ２ｘＯ．８， ｆ为光学系统焦距均取位２００ ｍｍ ． ＳＮＲ， ＝１９．３ ， ＳＮＰ，，， ＝３４．９。观测系统信噪比到达５倍以上就可进行信号提取，可知探测距离满足系统要求。长焦及短焦视场的求解。探测器有效光敏面对角线为２２．５ ｍｍ ．在系统短焦２圣色卫＝１２．６８０．在系统长焦时，半视场角时，半视场角为ｔ０， ＝ａｒｃｔａｎＣＵ，＝￣几丽一焦距：Ｆ数：视场：入瞳：２２． ５／２＝３．２２＊．故而系统要求基本参数为：５０－２００ ｍｍ（变倍比ｒ＝４＂）Ｆ＝１＝１２．６８０， ｍ，＝３．２２０＝５Ｏｍｍ４．２．３初始结构的选择变焦距系统分为光学补偿、双组联动系统、正组补偿、负组补偿、全动型变 焦系统，各个系统有自己的优点，选择时要根据需要，综合考虑［３４１ 此系统对像质的要求较高，由于光学补偿方式变焦不连续故而不适合采用：双组联动系统长度较短，且像质很好，但由于机械结构比较复杂，给机械设计、加工以及装调带来一定困难；全动结构比双组联动系统还要复杂，其最大优点是结构短小；但对系统结构长度要求不很苛刻的条件下也不能发挥优势。以上分析比较得出：选用机械补偿变焦系统，其像面稳定度高，可实现大变焦比，像质满足要求。 机械补偿式有正组补偿和负组补偿两种补偿形式；顾名思义正组补偿即补偿组的焦距为正，负组补偿即补偿组的焦距为负。在此选用负组补偿较好，相比于正组补偿，负组补偿形式比较灵活，长度比较短。由于时间的关系，考虑查找现有的资料及专利得到与设计性能要求相似的初 始结构在此基础上进行修改，以期在较短的时间内，得到较好的结果。通过查找专利， 得到一个红外变焦光学系统，系统的结构参数和性能如表４．２，呜Ｄ０３６红外变焦距光学系统的设计表４．３，系统短焦，中焦，长焦结构依次如图４．１所示：表４．２中Ｅｌｅｍｅｎｔ为透镜编号，Ｒａｄｉ ｕｍ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ栏为各组元半径参数，Ｄｉｓｔａｎｃｅ为各面间隔，Ｍａｔｅｒｉａｌ为镜片材料。系统第二面，第四面，第六面到其下一面的距离Ｄｌ， Ｄ２， Ｄ３在短焦、中焦、长焦分别按照表４．３取值。表４． ２变焦系统初始结构数据ＥｌｅｍｅｎｔＲａｄｉ ｕｍ ｏｆＤｉｓｔａｎｃｅ（ｍｍ）Ｍａｔｅｒｉａｌｃｕｒｖａｔｕｒｅ（用用）Ｌ１２１６．００３７９．３０１０．６２ＧｅｒｍａｎｉｕｍＤ１４．５０Ｄ２Ｌ２２８３４．００１６１．９０ＧｅｒｍａｎｉｕｍＬ３－７９．２０－１１６．２０３．００ＧｅｎｎａｎｉｕｍＤ３３．５０９．２８５．４６５．８３Ｌ４－６２１．６０－１７６．９０Ｃｅｒｍａｎ拍拍ＬＳ１５１．３０７１９．８０６ｅ而ａ吐ｕｔｎＬ６－１０３．６０－２１８．８０３．００２１．８１ＧｅｒｍａｎｉｕｍＬ７－１５２．２０５．３０２３．７３Ｃｅｒｍａｎｉｕｍ－１０２．２０Ｌ８４９．２０５％８．００４．００Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ５６．７０ＬＷ的Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ０第四章光学自动设计方法表４．３变焦系统的初始多结构图Ｄ１Ｄ２Ｄ３短焦１１．３０７０．９５１６．３８中焦５２．５０２９．３２１５．８１长焦８１．肠１１．９３４．８４图４．１变焦系统的初始结构 由图４．１可以看出，该系统由五个部分组成，这五个部分分别为前固定组，变倍组，补偿组，后固定组１． ２。系统焦距为２５－１００ ｍｍ，变倍比满足此系统要求，并给出了Ｆ数为１，符合参数条件。因此决定以此为原形进行优化，由于专利中所给的数据不全，我们无法得知它的物距，光阑位置，视场角因此也无法判定成像质量，只能在以后的优化过程中再看。４．２．４系统的优化及结构的确定 首先根据这些数据把系统焦距调到所需大小，进行初步优化。为了综合考虑引入调制传递函数来评价成像质量。光学系统的传递函数反映了不同细节下的对比度情况【３５１。此时，系统的焦距已经符合要求，但成像质量还不尽如人意。由一点发出光线后在成像面上形成散开的图形，即弥散斑。可以通过点的疏密来反映成像的好坏！６３１，这个系统的弥散斑很大，远远超过一个像元的最大面积。第五章总结与展望第五章总结与展望红外变焦系统有工作距离远，全天候工作等优点，将来在军事或民用都会有 广泛应用，因而研究红外变焦系统有着重要的意义。在这次毕业论文中主要完成了如下工作：１．研究了变焦距系统的高斯解。对负组补偿变焦系统进行了分析，并以典型 的机械补偿系统为例，求出系统初始的高斯参数。２． 对大气红外辐射透过率进行了研究，计算了８－１４／ｉｍ的大气透过率，对空间目标红外辐射特性进行了计算，利用ＮＥＴＤ对红外探侧器的作用距离进行了估算。３．结合具体课题要求，从现有的专利结构出发，运用光学设计软件进行像差 自动优化，设计了一个机械补偿变焦系统，并给出了从初始结构到最终优化结构的结构参数和成像质量图表。在课题完成的过程中，发现变焦距系统的像差平衡方面存在许多问题有待进 一步研究，但由于水平和经验有限，无法得出有效的规律。这一方面需要在以后的工作中加强，以期提高设计工作效率。目前，红外变焦系统仍然存在一定的缺陷，期待在以下方面获得更好的突破： （１）无热化．红外光学系统像面随温度漂移十分严重，要在大的温度范围内保证系统正常工作就必须消除温度对光学系统的影响，即进行无热化设计［３７１。主要无热化的方法有主动式：即利用镜头或镜头组的轴向移动来补偿像面随温度的漂移，移动量由电机设备控制；光学被动式：即选用不同的材料组合进行温度补偿［３８，３９１（ ２）非球面和二元光学器件的使用［４０．４１．非球面能够很好的对单色像差进行校正，而二元光学器件除了能够任意的改变波面形状外，还在色差与二级光谱的校正和补偿等方面有着自己独特的优势。这些光学器件的加入使光学设计的方法更加灵活。 （３）红外材料的发展。梯度折射率透镜的出现使减小透镜的尺寸和数量成为可能，从而减小整个系统的尺寸和重量。目前，由于制备困难而且梯度折射率透镜引起的场曲难以校正，使其离广泛的应用仍然有一定的差距。致谢致谢此论文的完成，离不开所有身边老师和同学的帮助，在这里向他们致以衷心 的感谢。 本论文是在李庆辉教授的精心指导下完成的，值此论文完成之际，谨向老师表示最诚挚的感谢。在论文进行过程中，给予了谆谆教海、热情鼓励与大力支持，从论文的研究方向、研究内容、研究思路等方面的指引到最后论文的修改都倾注了导师的心血。导师渊博的知识、敏捷的思维、谦逊的为人使我在知识能力与为人的道理上受益匪浅。感谢，在这两年多，老师在我读研期间对课题的各方面工作给予了具体的指导帮助和关怀，使学生在理论和实践能力，均得到很大的提高。 感谢林虹，樊松波，杨建江，张红斌，胡辛，钱浩等已经毕业的师兄师姐，是他们给予我很多生活，学习上的关心和帮助，感谢同级的曹敏，张坤，陆钧购，与他们相处的愉快时光使我终身难忘。感谢孙刚，李娟，温敬阳，张峰，姜华，张磊，徐博，姚呈康等师弟师妹，感谢他们在学习和研究资料上的分享和帮助。特别感谢我的父母，他们无微不至的关心，无私的奉献使我可以安心读书， 有机会上大学和研究生，在此向他们表示深深的谢意。最后感谢西安电子科技大学，给了我学习的机会，向所有在西电关心和帮助 我的人致以诚挚的感谢。参考文献竺参考文献［１ｌ刘朝华，潘兆鑫．用于红外焦平面成像的变焦距光学．红外月刊．２００４，８．－１０－１６．［２１王红．不断发展的红外变焦透镜．光机电信息，１９９７，１４（７）：１－６．［３］ Ｃｈｉｒ－Ｗｅｅｉ ＣｈａｎｇＧｕｎｇ－Ｈｓｕａｎ Ｈｏ， Ｃｈｙ－Ｌｉｎ Ｗａｎｇ． Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｅｎｓｅｓｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｚｏｏｍ ｒａｔｉｏ． ＳＰＩＥ， ２００６， ６０３４：５４０－５４６．］Ｍａ’［ｒｋ Ｌ． Ｏｓｋｏｔｓｋｙ， Ｌｅｖ Ｓａｋｉｎ． Ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍｓ： ｂａｓｉｃ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ．ＳＰＩＥ，１９９７，３１２９：２２９－ ２４５．［５］ Ｍ． Ｊｅｆｓ． Ｒｅｄｕｃｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ｅｌｅｅｎｔ ｌｅｎｓ ｓｙｓｔｅｍｓ． ＳＰＩＥ，２００２，４８３２：１０４－１１３．［６］ Ａｌｌｅｎ Ｍａｎｎ． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｗｉｄｅ－ｉｆｅｌｄ ｕｎｏｂｓｃｕｒｅｄ ｚｏｏｍ ｍｉｎｏｒｓｙｓｔｅｍ． ＳＰＩＥ， １９９７，３１２９：９７－１０７．阴Ａｒｔｈｕｒ Ｃｏｘ， Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｓ． ＩＣａｎｅ． Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ． ＳＰＩＥ， ２００５，５７８３：１０１９－１０３０．［司Ｒ Ｂａｒｙ Ｊｏｈｎｓｏｎ． Ｃｏｍｐａｃｔ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ３－ ｔｏ ５－ｕｍ ｓｐｅｃｔｒａｌ 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