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10 倍全球面红外变焦光学系统设计
赵英明*，杨若夫，杨春平
（电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054）
摘要：针对 320×240 非制冷红外焦平面探测器，设计了一个工作波段为 3.7~4.8um 的红外变焦光学系统。该系统由 6
片全球面透镜组成，采用硅和锗两种常见的红外材料，F 数为 2.5，后工作距保持为 20mm，可以实现 15mm~150mm
范围内连续变焦。设计评价结果表明：光学系统在探测器奈奎斯特频率 16lp/mm 处，变焦范围内全视场 MTF 大于 0.6，
0.7 视场 MTF 接近 0.7，整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于 70%，具有大相对孔径、长工作距、
全球面的特点。在-20
0
C~60
0
C 温度范围内，成像质量满足设计要求。
关键词 光学设计；变焦系统；红外技术；非制冷焦平面探测器
中图分类号 TN216 文献标识码 A
Design of 10
X
Infrared Zoom Lens with All Sphere Surfaces
ZHAO Ying-ming, YANG Ruo-fu, YANG Chun-ping
School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China
Abstract: For 320×240 pixels uncooled infrared for plane arrays, a mid-infrared zoom optical system was designed
working at 3.7~4.8um.It contains 6 sphere lenses. All lens elements are made up of silicon and germanium materials
which can transmit 3.7~4.8um infrared rays. The F number was 2.5, back working length was 20mm, and it realized
15mm~150mm continuous zoom. The MTF value of zoom lens was greater than 0.6 at 16lp/mm in the full field of view
and zoom, and the value was no less than 0.7 in the 0.7 full field of view. That means near diffraction limit. The uncooled
infrared unit for plane arrays can catch more than 70% infrared rays energy. And the lens system has many advantages
including small F number, long back work length and all spherical surfaces. And the image quality meets the
requirements within -20
0
C~60
0
C.
Keywords optical design; zoom lens; infrared technology; uncooled infrared FPA detector
OCIS Codes 220.3620; 220.3630; 140.3070; 040.3060
引言
红外成像技术具有抗干扰、隐蔽性好、环境适应能力强和被动工作等特点，在安全监控、刑事侦查、航空航
天等领域有广泛应用
[1-8]
。非制冷型红外焦平面探测器具有体积小、适用性强、无需制冷等特点，有着良好的发
展前景
[9]
。随着非制冷红外焦平面探测器等红外技术的发展，非制冷型红外变焦系统应用范围会逐渐扩大。在用
于目标探测时，连续变焦光学系统通过变焦能够实现短焦搜索目标，长焦观察目标。较大的变焦范围可以增强系
统的实用性，增大相对孔径可以使红外敏感元捕获更多的能量并提高分辨率，在设计时考虑两者的同时也要兼顾
系统的尺寸、重量、加工成本等因素。在满足设计指标的情况下，使用数目最少的透镜和选用常见的面型是好的
设计。文献[1]基于 160×120 非制冷探测器设计了一个 10 倍变焦红外光学系统，使用了 8 片透镜并引入了两个
偶次非球面；文献[2]基于 640×512 焦平面探测器设计的 10 倍红外变焦系统，使用了 7 片透镜和两个反射镜，
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