摘要：為了實現對遠處目標的瞄準、識別與跟蹤，光電跟蹤系統往往需要其光學系統可連續變焦，并且具有大變倍比、寬波段、光軸一致性高等特性。詳細闡述了連續變焦光學系統的基本構造形式、初始結構參數估算等，并在確定了相關技術參數的基礎上，設計了一種變倍比為40×的寬波段連續變焦光學系統。設計的連續變焦光學系統全部使用球面鏡，易于加工，成像質量較好，各視場MTF值在150 lp/mm處均大于0.2，并且凸輪曲線平滑，無拐點，雜散光控制較好，對系統影響很小。最后通過外景試驗測試，該系統光軸一致性小于0.1 mrad，系統的各項性能指標都可滿足設備的使用要求，為光電跟蹤系統的工程化提供了參考價值。

關鍵詞：大變倍比；寬波段；連續變焦光學系統；凸輪曲線；光軸一致性 引言

光電跟蹤系統是一種由光電檢測、信號處理、電子控制器、光學系統和精密支架等多個子系統構成的復雜控制系統，在軍事、靶場光電子學檢測、天文觀察、武器控制和激光通信控制系統中具有廣泛的應用[1]。隨著光電跟蹤系統在霧、雨等天氣或者低照度條件下對目標的探測需求日益增長，可見光加近紅外的連續變焦系統成為近年來的研究方向。例如，方麗設計了變倍比10倍的近紅外攝像一體機鏡頭，可在可見光波段和850 nm波長成像，但近紅外波段較窄；胡際先等設計了一款小型透霧20倍連續變焦系統，實現了400 nm～1 000 nm波段透霧成像，但其變倍比較小。因此，根據該應用需求，本文設計了一款變焦比40倍、近紅外波段較寬的連續變焦光學系統。該光學系統在所有鏡片均為球面，材料均為普通光學玻璃的條件下，實現了10 mm～400 mm焦距范圍，可見光和近紅外雙波段的共孔徑共焦面集成，在整個變焦范圍內都具有較好的成像質量，各視場的MTF值在150 lp/mm處均在0.2以上，并且凸輪曲線平滑，無拐點；雜散光控制得較好，對系統影響很小。通過外景測試，該系統光軸一致性好，小于0.1 mrad。該系統具有晝夜觀察能力、大變倍比、光軸一致性高的優勢，為光電跟蹤系統的工程化實現提供了參考。

1 設計原理 1.1 結構形式分析

由于該系統變焦比為40×，波段范圍為0.45 μm～0.95 μm，因此系統變倍比較大，波段較寬，系統中的色差、二級光譜以及像面偏移量都較大，校正難度較高。如果系統采用光學補償法，就必須有多組大規格鏡片，這樣會加大鏡片的比重，減少整個系統的透過率，因此，光學補償法不適用于該連續變焦系統。同時具有光學補償與機械補償法優點的雙聯動補償法，雖然可以保證在整個變焦過程中均能清晰成像，補償曲線也相對平緩，且在對近距目標成像時采用獨特的調節焦距方式，使系統視場角和通光口徑基本保持不變，但是，雙聯動系統的前固定組承擔的光焦度較大，系統的二級光譜和色差校正難度較高，而且運動組元多，結構設計和光學裝調復雜度高，系統的工程性、穩定性相對較低，因此雙聯動補償法也不適用于該連續變焦系統。機械補償法包含正組補償與負組補償，與負組補償法相比，正組補償法可以更容易地實現色差和二級光譜的校正，而且補償組運動軌跡平緩，可以更容易地增大系統的變倍比。由于設計的系統波段范圍比較寬，變倍比也較大，在綜合平衡變焦物鏡的透光口徑和二級光譜范圍的時候，選用正組補償更有優勢，因此該系統采用正組補償法，如圖1所示。同時設計正組補償光學系統時，應保證短焦狀態時前固定組與變倍組、后固定組與補償組不會發生干涉，系統處于長焦狀態時變倍組與補償組不會發生干涉。

圖1. 連續變焦光學系統正組補償原理圖

2. 設計指標及設計過程

2.1 主要指標要求 連續變焦光學系統的主要技術指標為

1） 焦距：10 mm～400 mm；

2） F數：2.1～4.5；

3） 波長：0.45 μm～0.95 μm；

4） 探測器：1 920×1 080 pixel@3.45 μm；

5） T、W光軸一致性：≤0.1 mrad。

2.2 各組元結構選擇

針對變焦距系統而言，各焦距段的二級光譜隨著焦距的變化而變化，其中二級光譜的最大值出現在長焦端。由于長焦端的軸上光線和短焦端的軸外光線在前固定組?1的高度均較高，所以前固定組主要用于校正長焦端的球面像差、正弦差、場曲和畸變，還可校正短焦端的像散、畸變和軸外球差，同時還貢獻了系統大部分二級光譜，因此，系統采用更加復雜的負、負、正光焦度的單、單、雙結構形式。其中首片采用CaF材料，尾片采用HZLAF和HZK雙膠合鏡來平衡色差和二級光譜。變倍組?2承擔整個光學光學系統變倍作用，采用色散能力很強的HZF88做正透鏡，HFK做負透鏡，進行色差校正，保證整個變倍組具有較小的殘余色差。 補償組?3與光闌間距較近，使得軸外光高度降低，軸外的像散、畸變等像差較小，著重對其軸線上球差、正弦差及其高級像差進行校正。為縮短系統長度，確定補償組的結構形式為攝遠式結構。后固定組?4可保證系統光焦度不變，補償前面各組元的殘余像差，特別是補償殘余二級光譜，同時負責將光束準直，以便于安裝濾光片。連續變焦光學系統圖如圖2所示，系統總長小于265 mm。 圖2. 連續變焦光學系統圖

2.3 像差校正及像質評價

當光學系統中各組元結構形式以及各組元之間的間隔確定后，對各組元進行初步像差校正，然后再把各組元組合起來進行整體優化設計。在優化設計過程中，主要考慮的像差為色差和二級光譜。

該光學系統工作波段為0.45 μm～0.95 μm，具備晝夜觀察能力，在系統中安裝一片濾光片，白天使用時能夠隔斷近紅外可見光波長，夜晚使用時能隔斷可見光短波部分，并且增透近紅外光，從而提高透霧性能。因此，對高變倍系統色差分別進行校正，即用可見光波長校正系統在白天的成像質量，用近紅外波長校正系統在夜晚的成像質量，同時保證在這兩種情況下系統的焦距是一致的。

該連續變焦系統主要采用調制傳遞函數MTF評價像質，焦距?′=10 mm、?′=150 mm以及?′=400 mm時系統MTF如圖3～圖5所示。由圖3～圖5可知，3個視場的像差均得到較好地控制，各視場的MTF值在150 lp/mm處均在0.2以上，符合設計指標要求。

圖3.焦距?′=10 mm對應的MTF曲線

4. 結論

隨著光電跟蹤系統在霧、雨等天氣或者低照度條件下對目標的探測需求日益升級，可見光加近紅外的連續變焦系統成為近年來的研究方向。根據該應用需求，本文設計了一款放大比為40×、近紅外波段較寬的連續變焦光學系統。該光學系統在所有鏡片均為球面，材料均為普通光學玻璃的條件下，實現了10 mm～400 mm焦距范圍，可見光和近紅外雙波段的共孔徑共焦面集成，在整個變焦范圍內都具有較好的成像質量，各視場MTF值在150 lp/mm處均在0.2以上；凸輪曲線平滑，無拐點；雜散光控制較好，對系統影響很小。通過外景測試，該系統光軸一致性較好，小于0.1 mrad。該系統具備晝夜觀察能力和大變倍比、光軸一致性高的優勢，為光電跟蹤系統的工程化實現提供了參考。

編輯：黃飛

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