2024年5月24日发(作者：辜惜蕊)
第４２卷第３期
Ｖｏ１．４２ ＮＯ．３
红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年３月
Ｍａｒ．２０１３
高变焦比中波红外连续变焦光学系统
周 昊１，２，刘 英 ，孙强
（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；
２．中国科学院大学，北京１０００４９）
摘 要：针对高变焦比连续变焦光学系统，提出了一种双双组联动型变焦系统的设计方案，完成了变
焦方程的推导。采用非球面技术，运用所推导出的变焦方程，完成了变焦比为４０倍、Ｆ数为４、工作波
段为３．７ ４．８ Ｉｘｍ的中波红外连续变焦光学系统的设计。光学系统由八片透镜组成，引入了四个非球
面，可以实现１０～４００ ｉｎ／ｎ连续变焦，满足冷光阑效率为１００％，变焦曲线平滑无拐点。在不同的变焦位
置，光学系统的奈奎斯特频率处（１６ｌｐ／ｍｍ）ＭＴＦ值均大于０．３，ＲＭＳ点斑半径均小于２２ Ｉｘｍ。系统具有
成像质量高、镜片数量少和结构紧凑等特点。
关键词：连续变焦； 高变焦比； 中波红外； 光学设计
中图分类号：ＴＮ２１６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０１３）０３－０６６３—０６
ＭＷＩＲ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ
Ｚｈｏｕ Ｈａｏ ，Ｌｉｕ Ｙｉｎｇ ，Ｓｕｎ Ｑｉａｎｇ
（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ
２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ．ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｎａｍｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｔｗＯ—
ｇｒｏｕｐ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ ａ
ＭＷＩＲ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ ｏｆ ４０ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ８
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ４ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ ｗｏｒｋｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｂａｎｄ ｏｆ ３．７－４．８ ｍ．Ｉｔ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ １００％
ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ ｏｆ １０－４００ ｍｎ１．Ｔｈｅ Ｆ／ｎｕｍｂｅｒ ｗａｓ ４ ａｎｄ ｔｈｅ ｚｏｏｍ
ｐａｔｈｓ ｗｅｒｅ ｓｍｏｏｔｈ．Ｔｈｅ ＭＴＦ ｖａｌｕｅ ｉｎ Ｎｙｑｕｉｓｔ ｌｉｍｉｔ（１６ ｌｐ／ｍｍ）ｗａｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ０．３ ａｎｄ ｔｈｅ ＲＭＳ ｒａｄｉｕｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２２ ｍ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ
ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ；ｌｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ；ａ ＭＷＩＲ； ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ
收稿日期
２０１２—０７—２２； 修订日期：２０１２—０８—１９
基金项目
国家自然科学基金（６０９７７Ｏ０１）；吉林省与中国科学院合作长吉图开发开放先导区科技创新合作专项资金（２０１１ＣＪＴ０００４）
作者简介
周昊（１９８９一），男，博士生，主要从事光学系统设计方面的研究。Ｅｍａｉｌ：８９ｚｈｏｕｈａｏ＠１６３．ｃｏｍ
导师简介
孙￣￥（１９７１一），男，研究员，博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｓｕｎｑ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ
第４２卷
红外与激光工程
鬟
视场转换的过程中能够保持图像的连联１
，．
妻
Ｗｉｄｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ，￣ｉｅｗ
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辄卡柙场与小视场之间的转抉。咖兰Ｌ ｒ迕 ，兑厢
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兰 荔
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：
：
图１传统型变焦系统原理
Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｚ０ｏｍ ｓｙｓｔ。ｍ
萋 喜竺凳 荔 等
焦
３０ 倍且采用较多的镜片。修Ｉｊ如Ｋ‘Ｌ “
ＷＩｄ ０ｉ１￣２ｎｌ ｏ Ｆ
ｎ
１
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ｌ
ｙ 、 ～
——４—————一 ／
一人 ，｝ ＾ ●，
警当 前的红外连续变焦系统具有囊 焦比，Ｊ、、祝门
组联动型 萼 囊 孝三 ： ；
翥
３２０ｘ２４０ 凝视焦平面阵列椿测看菁削 汉 。／。兰
硼１－４００ ｉＯ ｉｌｍ连续变焦，成保Ｊ贝亘１日口寞小
嘉
墓 茗
曩
一 嘉
这两类系统显然不适应于变焦糸缆牡 糸供ｎＪ
童 毳 喜 釜 量罢 盖差 兰
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： 兰暑
、
一 差 兰 ：嚣
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、
蓑
旧
和两补偿组
ｃｚ的移动来买蚬系玑熙 刚
蓑嚣
Ｃ
、
：
统焦距的连续变化并保持像面位重回疋’拭
第３期 周 昊等：高变焦比中波红外连续变焦光学系统 ６６５
Ｄ 一
图３双双组联动型变焦系统原理
Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｔｗｏ—ｇｒｏｕｐｓ ｍｏｖｉｎｇ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
焦系统。
图４所示为双双组联动型变焦系统在焦距
位置处的结构。各组分的间隔分别是Ｄ 、Ｄ 、Ｄ。、Ｄ 、Ｄ 。
ｘ Ｍ Ｃ Ｍｌ Ｃ，ｘ２
图４双双组联动型变焦系统的结构
Ｆｉｇ．４ Ｏｎｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｔＷＯ—ｇｒｏｕｐｓ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
前固定组 的焦距为 ，前变倍组Ｍ１的焦距为
Ｆｍｌ，前补偿组Ｃ 的焦距为 ，后变倍组 的焦距
为 ，后补偿组ｃ２的焦距为 ，后固定组 的焦
距为 。无穷远物体经前固定组 所成的像面与
光轴交与，ｘ 。，ｘ 经前变倍补偿组合系统成像在 ，
前变倍补偿组合系统由前变倍组 和前补偿组
Ｃ 组成，用 。表示前变倍补偿组合系统成像放
大倍率。，眦 经后变倍补偿组合系统成像在 ，后
变倍补偿组合系统由后变倍组 和后补偿组Ｇ
组成，用 表示后变倍补偿组合系统成像放大倍
率。 经后固定组 成像在像面，上，用 表示
后固定组成像放大倍率。系统焦距 可用下式表
示：
＝ ・ＪＢ ・ＪＢ ｚ・ ｘｚ （１）
对于前变倍补偿组合系统，其焦距用 表示，
其物方主平面和像方主平面的位置分别用Ｌ 一、
ｍ
表示。后变倍补偿组合系统的焦距用 表
示，其物方主平面和像方主平面的位置分别用厶Ｔ 、
Ｌ 眈表示。有如下公式【ｌＵ１：
Ｄ １＝Ｄ２
一
・ ｌ
一
．
Ｄ一 （２）
ｎ１＋ １一Ｄ ｌ
Ｌ 一—Ｆ
￣＋Ｆｃ—
ｌ－Ｄｍｃｌ
Ｄ ＝Ｄ
・
一
瞅一 二
，一
（３）
一
Ｔ， 一 ，・Ｄ
Ｌ“也一—Ｆ
ｒｅｅ＋Ｆ￣—
２－
Ｄｍｃ２
前变倍补偿组合系统成像时的物距和像距分别
用厶 、Ｌ 表示，后变倍补偿组合系统成像时的物
距和像距分别用 、Ｌ 砌表示，后固定组成像时的
物距和像距分别用Ｌ【２、Ｌ 也表示。根据图所示的成像
关系，可以得出以下公式：
／－，
３＝１＝
／－－￣ｃｌ
厶 １＝Ｆｘｌ—Ｄ１一厶 １ （４）
ｒ，一
一
｜Ｌｒ ｌ・ ｌ
Ｚ＝＝
等
Ｌ 也＝Ｌ ｌ＋ １一Ｄ３一厶 （５）
Ｌ
，，一
Ｌｒ ・
一
ｉ
用Ｄ 表示两变倍组 、Ｍ２的间隔，Ｄ。表示两补偿
组Ｃ 、Ｃ２的间隔，Ｄ 表示，ｘ 到 的距离。有如下关
系式：
［Ｄ ＝Ｄ２＋Ｄ３
｛Ｄ ＝Ｄ３＋Ｄ４ （６）
ＩＤ ＝Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４＋Ｌ ｍ＋Ｌ ｍｅ２－－Ｌｒ Ｈ１一厶 ｌ
对于该变焦系统在另一焦距 位置处的结构，
要求满足Ｆｓ ＝Ｆｓ・Ｍ，其中 是系统焦距的变化倍
数。系统在变焦的过程中，前固定组 的焦距不变；
后固定组 及像面位置，固定，保证了后固定组
的成像放大倍率不变。则由公式（１）可知，新焦距位
置处的两变倍补偿组合系统成像放大倍率（带 ）满
足下式：
／３ ‘／３
＝ｐ ／３ ‘Ｍ （７）
ｍｅｌ ｍｃ２
红外与激光工程 第４２卷
系统在变焦的过程中应保持两变倍组间隔不变，两
补偿组间隔不变以及像面位置固定这三个条件。则
计，得出最终的设计结果，如图５所示。系统总长为
３９６ ｍｍ，共采用了八片透镜，引入四个非球面。前六
片透镜组成变焦系统，其中第二片透镜（变倍组１）和
新焦距位置处系统的各项参数（带 ）应该满足以下
关系式：
第四片透镜（变倍组２）具有相同的运动轨迹，因此可
以将两变倍组固定在一起移动；第三片透镜（补偿组
ｆ Ｄ ＝Ｄ １ ＋Ｌ Ｈ１＋ ｌ— 啦一ＪＬ
１ Ｄ。＝一Ｄ １ ＋Ｄ ＋Ｄ
ｌＤ ＝一Ｌ＊ＩＩＩＣｌ—Ｌ 讲Ｉ＋Ｄ ｌ＋Ｄ。＋Ｌ ＋Ｌ ２
（８）
１）和第五片透镜（补偿组２）具有相同的运动轨迹，同
样可以将两补偿组固定在一起移动。由于采用的是
由公式（７）、（８）可推导出公式（９）。该公式即为双
制冷型探测器，所以系统需要满足１００％冷光阑效
率，后两片透镜构成的二次成像系统的主要目的就
双组联动型变焦系统的变焦方程。已知变焦系统某
一
焦距位置处的结构，通过公式（９）就可以求出任意
其他焦距位置处的结构。
Ｄ一 ＋（１一卢一 ）‘ ＋
（１－ ￣卢ｍｃ ｌ＊ ）‘ Ｆ ｏｒ２ ￣Ｆｃ２
一
．
Ｆ Ｄ
Ｆｍ１＋ ｌ—Ｄ ｌ ‘
Ｉ１２＋ｊ ＋Ｄ器 一Ｄ 一Ｄ １ 一“
％ （卜古）‘ Ｆｍｌ ＂Ｆｃ１ ＋
（１－ ）。 Ｆ ｏｒ２￣Ｆｃ２
一
Ｆｍ ｌ＂Ｄｒｏｏ ｌ＊
一
ｌ＋ ｌ—Ｄ ｌ ｎｒｎ２＋ 十Ｄ 一Ｄ 一Ｄ １ ～ 一
２设计实例
２．１设计指标
采用中波红外凝视型焦平面３２０ｘ２４０元制冷探
测器，探测器像元尺寸为３０ ｐ．ｍｘ３０ ｔｘｍ，连续变焦
红外光学系统的设计指标如表ｌ所示。
表１光学设计指标
Ｔａｂ．１ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂａｎｄ／ｐ，ｍ
３．７—４．８
Ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ
４０
Ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ／ｍｍ
１０－４００
Ｆｎｕｍｂｅｒ ４
Ｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ ｄｉａｇｏｎａｌ／ｍｍ
１２
２．２设计结果
根据所推导出的公式（９）求出双双组联动型变
焦系统的理想高斯结构，然后选用合适的透镜替换
就得出了系统的初始结构。对初始结构进行优化设
是来满足这一要求。图６所示为该系统变倍组、补偿
组的变焦运动轨迹，变倍组行程为５６．５ ｍｍ，补偿组
行程为３８．９ ｍｍ，变焦曲线平滑无拐点，这保证了系
统变焦的可行性
图５系统结构图
Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
图６系统变焦轨迹
Ｆｉｇ．６ Ｚｏｏｍ ｐａｔｈｓ ｏｆ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
２．３像质评价
图７所示为变焦系统在不同焦距位置处的调制传
递函数曲线。系统在奈奎斯特频率处（１６ ｌｐ／ｍｍ）￣ＮＪ制
传递函数值均大于０．３，说明该系统具有较好的成
像质量。图８所示为变焦系统在不同焦距位置处的
第３期 周 昊等：高变焦比中波红外连续变焦光学系统 ６６７
点列图。可以看出，任意焦距位置在全视场内的弥 散斑半径的均方根值均小于２２ ｔｘｍ，满足要求。
图７系统ＭＴＦ图
Ｆｉｇ．７ ＭＴＦ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ＯＢＪ：０ ０００ ０ ０ ０００ ０。０ＢＪ ０ ２０７ ０ ０ １ ５５ ０。
ＯＢＪ：Ｏ ０００ ０ ０ ０００ ０。 ＯＢＪ：０ ３０２ ０ ０ ９７７ ０。
豳
圜豳
豳圈
困圜
豳豳
圈圈
Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ
Ｆ＝４００ｍｍ
Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ
Ｆ＝６３ｍｍ
Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ
， －ｌ０ｍｍ
图８系统点列图
Ｆｉｇ．８ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
３结论
孙强，王肇圻，李凤友，等．红外３．２～４．５ ｍ波段折射，衍
射光学系统的减热差设计【Ｊ］．光学精密工程，２００２，１０（２）：
文中提出了双双组联动型连续变焦系统的设计
方案，并推导出了该类变焦系统的变焦方程。据此设
计了一款用于中波制冷型３２０ｘ２４０凝视焦平面阵列
１２１－１２５．
［２】 Ｍｅｎｇ Ｊｉａｎｑｉ．Ｄｕａｌ ｆｉｅｌｄ ｚｏｏｍ（６×）ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，３７（１）：
８９—９２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
探测器的红外连续变焦光学系统。系统仅采用八片
透镜，可以实现４０倍的变焦比，变焦行程短且曲线
盂剑奇．双视场６倍变焦红外热成像光学系统【Ｊ］．红外与
激光工程，２００８，３７（１）：８９－９２．
［３】Ｘｕ Ｚｈａｏｄｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｘｉｎ，Ｄｏｎｇ Ｔａｏ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｈｉｇｈ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＩＲ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ
平滑。系统轻型紧凑且满足冷光阑效率１００％的要
求。同时系统具有良好的成像质量，在奈奎斯特频率
处（１６ ｌｐ／ｍｍ）处的调制传递函数值均大于０．３，在全
视场内的弥散斑半径的均方根值均小于２２ ｍ。由
此可见双双组联动型连续变焦系统适用于高变焦比
［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３６（５）：６１９—６２１．
（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
许照东，刘欣，董涛．机载高分辨率连续变焦红外热像仪设
计【Ｊ］．红外与激光工程，２００７，３６（５）：６１９—６２１．
［４】 Ｚｈａｎｇ Ｌｉａｎｇ，Ｌｉｕ Ｈｏｎｇｘｉａ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｎｇ
连续变焦系统的设计，这为该类高变焦比中波红外
连续变焦系统在警戒、侦查等领域的应用打下基础。
参考文献：
【１］Ｓｕｎ Ｑｉａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｚｈａｏｑｉ，Ｌｉ Ｆｅｎｇｙｏｕ ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｔｈｅ
ａｔｈｅｒｒｎａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ３．２—
ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ 【Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，４Ｏ（７）：１２７９—１３０９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
张良，刘红霞．长波红外连续变焦光学系统的设计［Ｊ］．红外
与激光工程，２０１ｌ，４Ｏ（７）：１２７９—１３０９．
４．５ ｍ ｆＪ】．Ｏｐｔ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ，２００２，１Ｏ（２）：１２１－１２５．（ｉｎ
［５】Ｃｈｅｎ Ｌｖｊｉ，Ｌｉ Ｐｉｎｇ，Ｍａ Ｌｉｎ．Ｃｏｍｐａｃｔ ＭＷＩＲ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ［
６６８ 红外与激光工程 第４２卷
Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，３２（１０）：５６２—５６６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
陈吕吉，李萍，马琳．紧凑中波红外连续变焦光学系统［Ｊｊ．
红外技术，２０１０，３２（１０）：５６２—５６６．
ｄｄｌｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ
［６］
Ｇａｏ Ｈｏｎｇｙｕｎ Ｘｉｏｎｇ Ｔａｏ，Ｙａｎｇ Ｃｈａｎｇｃｈｅｎｇ．Ｍｉ
２０８４－２０８８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
刘峰，徐熙平，孙向阳，等．折／衍射混合红外目标搜索／跟
踪光学系统设计［Ｊ】．光学学报，２０１０，３０（７）：２０８４—２０８８．
［８】
Ｓｉｎｃｌａｉｒ Ｒ Ｌ．Ｈｉｇｈ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓｅｓ ｆｏｒ ３—５ ｕｍ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ［Ｊ】．ｏｐｔ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ，
２００７，１５（７）：１０３８－１０４３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，１９９８。３４２９：１１一ｌ８．
ｒｋ Ｃ Ｓａｎｓｏｎ．Ｊａｍｅｓ Ｃｏｒｎｅｌ１．ＭＷＩＲ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｗｉｔｈ
［９】
Ｍａ
郜洪云，熊涛，杨长城．中波红外连续变焦光学系统［Ｊ］．
光学精密工程，２００７，ｌ５（７）：１０３８－１０４３．
ｕ Ｆｅｎｇ，Ｘｕ Ｘｉｐｉｎｇ，Ｓｕｎ Ｘｉａｎｇｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
［７】
Ｌｉ
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｅｓ ｆｏｒ ｔａｒｇｅｔ
ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，２０１０．７６６０：７６６Ｏ１Ｘ一１—７６６０ｌＸ—ｌ２．
［１０】
Ｙｕ Ｄａｏｙｉｎ，Ｔａｎ Ｈｅｎｇｙｉｎｇ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，２００６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
郁道银，谭恒英．工程光学［Ｍ】．北京：机械工业出版社，
２００６
ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ／ｔｒａｃｋｉｎｇ ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｏｐｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１０，３０（７）：
●’●●＇…●…，●●●●…●’●●，●●…，…●…●…●■●…，…●●●…●…●●●…●●’●，●●…’…ｌ…●●＇…’…●…’…●…●…，…，…’…●…●…■…，…●…■…’…●…●…●…－…●●
，一～一～一一一、
：下期预览；
一＋－＋．一．一一一。
目标高真实感红外图像生成方法
黄曦，张建奇，张绍泽，吴鑫
（西安电子科技大学技术物理学院，陕西西安７１００７１）
摘 要：为满足仿真实验对高真实感目标红外图像的丰富需求，提出了一种基于实测图像与三维数字仿真
相结合的红外图像生成方法。首先通过测量获得物体表面实际辐射分布，并以之为基础数据，建立真实温度
分布的数学反演模型，生成目标红外纹理。然后将纹理映射到几何模型，最终利用三维渲染技术生成高真实
感红外图像。实验结果表明，该方法仿真灵活性高，生成的目标红外特征自然、准确，纹理细节丰富，图像实
用性强。
2024年5月24日发(作者：辜惜蕊)
第４２卷第３期
Ｖｏ１．４２ ＮＯ．３
红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年３月
Ｍａｒ．２０１３
高变焦比中波红外连续变焦光学系统
周 昊１，２，刘 英 ，孙强
（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；
２．中国科学院大学，北京１０００４９）
摘 要：针对高变焦比连续变焦光学系统，提出了一种双双组联动型变焦系统的设计方案，完成了变
焦方程的推导。采用非球面技术，运用所推导出的变焦方程，完成了变焦比为４０倍、Ｆ数为４、工作波
段为３．７ ４．８ Ｉｘｍ的中波红外连续变焦光学系统的设计。光学系统由八片透镜组成，引入了四个非球
面，可以实现１０～４００ ｉｎ／ｎ连续变焦，满足冷光阑效率为１００％，变焦曲线平滑无拐点。在不同的变焦位
置，光学系统的奈奎斯特频率处（１６ｌｐ／ｍｍ）ＭＴＦ值均大于０．３，ＲＭＳ点斑半径均小于２２ Ｉｘｍ。系统具有
成像质量高、镜片数量少和结构紧凑等特点。
关键词：连续变焦； 高变焦比； 中波红外； 光学设计
中图分类号：ＴＮ２１６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０１３）０３－０６６３—０６
ＭＷＩＲ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ
Ｚｈｏｕ Ｈａｏ ，Ｌｉｕ Ｙｉｎｇ ，Ｓｕｎ Ｑｉａｎｇ
（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ
２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ．ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｎａｍｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｔｗＯ—
ｇｒｏｕｐ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ ａ
ＭＷＩＲ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ ｏｆ ４０ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ８
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ４ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ ｗｏｒｋｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｂａｎｄ ｏｆ ３．７－４．８ ｍ．Ｉｔ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ １００％
ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ ｏｆ １０－４００ ｍｎ１．Ｔｈｅ Ｆ／ｎｕｍｂｅｒ ｗａｓ ４ ａｎｄ ｔｈｅ ｚｏｏｍ
ｐａｔｈｓ ｗｅｒｅ ｓｍｏｏｔｈ．Ｔｈｅ ＭＴＦ ｖａｌｕｅ ｉｎ Ｎｙｑｕｉｓｔ ｌｉｍｉｔ（１６ ｌｐ／ｍｍ）ｗａｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ０．３ ａｎｄ ｔｈｅ ＲＭＳ ｒａｄｉｕｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２２ ｍ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ
ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ；ｌｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ；ａ ＭＷＩＲ； ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ
收稿日期
２０１２—０７—２２； 修订日期：２０１２—０８—１９
基金项目
国家自然科学基金（６０９７７Ｏ０１）；吉林省与中国科学院合作长吉图开发开放先导区科技创新合作专项资金（２０１１ＣＪＴ０００４）
作者简介
周昊（１９８９一），男，博士生，主要从事光学系统设计方面的研究。Ｅｍａｉｌ：８９ｚｈｏｕｈａｏ＠１６３．ｃｏｍ
导师简介
孙￣￥（１９７１一），男，研究员，博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｓｕｎｑ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ
第４２卷
红外与激光工程
鬟
视场转换的过程中能够保持图像的连联１
，．
妻
Ｗｉｄｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ，￣ｉｅｗ
Ｍ
＼｝｜
辄卡柙场与小视场之间的转抉。咖兰Ｌ ｒ迕 ，兑厢
耄 茎 ０ 盖
：：
竺 笔要 著 篓 茎 磊 茎
兰 荔
蒿
：
：
图１传统型变焦系统原理
Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｚ０ｏｍ ｓｙｓｔ。ｍ
萋 喜竺凳 荔 等
焦
３０ 倍且采用较多的镜片。修Ｉｊ如Ｋ‘Ｌ “
ＷＩｄ ０ｉ１￣２ｎｌ ｏ Ｆ
ｎ
１
Ⅵ
｝
ｌ
ｙ 、 ～
——４—————一 ／
一人 ，｝ ＾ ●，
警当 前的红外连续变焦系统具有囊 焦比，Ｊ、、祝门
组联动型 萼 囊 孝三 ： ；
翥
３２０ｘ２４０ 凝视焦平面阵列椿测看菁削 汉 。／。兰
硼１－４００ ｉＯ ｉｌｍ连续变焦，成保Ｊ贝亘１日口寞小
嘉
墓 茗
曩
一 嘉
这两类系统显然不适应于变焦糸缆牡 糸供ｎＪ
童 毳 喜 釜 量罢 盖差 兰
隹 丘
组 竺 豢 姜
女。 搿 蒜 差 鼍
： 兰暑
、
一 差 兰 ：嚣
蓉 盖
雏
篆
譬
、
蓑
旧
和两补偿组
ｃｚ的移动来买蚬系玑熙 刚
蓑嚣
Ｃ
、
：
统焦距的连续变化并保持像面位重回疋’拭
第３期 周 昊等：高变焦比中波红外连续变焦光学系统 ６６５
Ｄ 一
图３双双组联动型变焦系统原理
Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｔｗｏ—ｇｒｏｕｐｓ ｍｏｖｉｎｇ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
焦系统。
图４所示为双双组联动型变焦系统在焦距
位置处的结构。各组分的间隔分别是Ｄ 、Ｄ 、Ｄ。、Ｄ 、Ｄ 。
ｘ Ｍ Ｃ Ｍｌ Ｃ，ｘ２
图４双双组联动型变焦系统的结构
Ｆｉｇ．４ Ｏｎｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｔＷＯ—ｇｒｏｕｐｓ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
前固定组 的焦距为 ，前变倍组Ｍ１的焦距为
Ｆｍｌ，前补偿组Ｃ 的焦距为 ，后变倍组 的焦距
为 ，后补偿组ｃ２的焦距为 ，后固定组 的焦
距为 。无穷远物体经前固定组 所成的像面与
光轴交与，ｘ 。，ｘ 经前变倍补偿组合系统成像在 ，
前变倍补偿组合系统由前变倍组 和前补偿组
Ｃ 组成，用 。表示前变倍补偿组合系统成像放
大倍率。，眦 经后变倍补偿组合系统成像在 ，后
变倍补偿组合系统由后变倍组 和后补偿组Ｇ
组成，用 表示后变倍补偿组合系统成像放大倍
率。 经后固定组 成像在像面，上，用 表示
后固定组成像放大倍率。系统焦距 可用下式表
示：
＝ ・ＪＢ ・ＪＢ ｚ・ ｘｚ （１）
对于前变倍补偿组合系统，其焦距用 表示，
其物方主平面和像方主平面的位置分别用Ｌ 一、
ｍ
表示。后变倍补偿组合系统的焦距用 表
示，其物方主平面和像方主平面的位置分别用厶Ｔ 、
Ｌ 眈表示。有如下公式【ｌＵ１：
Ｄ １＝Ｄ２
一
・ ｌ
一
．
Ｄ一 （２）
ｎ１＋ １一Ｄ ｌ
Ｌ 一—Ｆ
￣＋Ｆｃ—
ｌ－Ｄｍｃｌ
Ｄ ＝Ｄ
・
一
瞅一 二
，一
（３）
一
Ｔ， 一 ，・Ｄ
Ｌ“也一—Ｆ
ｒｅｅ＋Ｆ￣—
２－
Ｄｍｃ２
前变倍补偿组合系统成像时的物距和像距分别
用厶 、Ｌ 表示，后变倍补偿组合系统成像时的物
距和像距分别用 、Ｌ 砌表示，后固定组成像时的
物距和像距分别用Ｌ【２、Ｌ 也表示。根据图所示的成像
关系，可以得出以下公式：
／－，
３＝１＝
／－－￣ｃｌ
厶 １＝Ｆｘｌ—Ｄ１一厶 １ （４）
ｒ，一
一
｜Ｌｒ ｌ・ ｌ
Ｚ＝＝
等
Ｌ 也＝Ｌ ｌ＋ １一Ｄ３一厶 （５）
Ｌ
，，一
Ｌｒ ・
一
ｉ
用Ｄ 表示两变倍组 、Ｍ２的间隔，Ｄ。表示两补偿
组Ｃ 、Ｃ２的间隔，Ｄ 表示，ｘ 到 的距离。有如下关
系式：
［Ｄ ＝Ｄ２＋Ｄ３
｛Ｄ ＝Ｄ３＋Ｄ４ （６）
ＩＤ ＝Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４＋Ｌ ｍ＋Ｌ ｍｅ２－－Ｌｒ Ｈ１一厶 ｌ
对于该变焦系统在另一焦距 位置处的结构，
要求满足Ｆｓ ＝Ｆｓ・Ｍ，其中 是系统焦距的变化倍
数。系统在变焦的过程中，前固定组 的焦距不变；
后固定组 及像面位置，固定，保证了后固定组
的成像放大倍率不变。则由公式（１）可知，新焦距位
置处的两变倍补偿组合系统成像放大倍率（带 ）满
足下式：
／３ ‘／３
＝ｐ ／３ ‘Ｍ （７）
ｍｅｌ ｍｃ２
红外与激光工程 第４２卷
系统在变焦的过程中应保持两变倍组间隔不变，两
补偿组间隔不变以及像面位置固定这三个条件。则
计，得出最终的设计结果，如图５所示。系统总长为
３９６ ｍｍ，共采用了八片透镜，引入四个非球面。前六
片透镜组成变焦系统，其中第二片透镜（变倍组１）和
新焦距位置处系统的各项参数（带 ）应该满足以下
关系式：
第四片透镜（变倍组２）具有相同的运动轨迹，因此可
以将两变倍组固定在一起移动；第三片透镜（补偿组
ｆ Ｄ ＝Ｄ １ ＋Ｌ Ｈ１＋ ｌ— 啦一ＪＬ
１ Ｄ。＝一Ｄ １ ＋Ｄ ＋Ｄ
ｌＤ ＝一Ｌ＊ＩＩＩＣｌ—Ｌ 讲Ｉ＋Ｄ ｌ＋Ｄ。＋Ｌ ＋Ｌ ２
（８）
１）和第五片透镜（补偿组２）具有相同的运动轨迹，同
样可以将两补偿组固定在一起移动。由于采用的是
由公式（７）、（８）可推导出公式（９）。该公式即为双
制冷型探测器，所以系统需要满足１００％冷光阑效
率，后两片透镜构成的二次成像系统的主要目的就
双组联动型变焦系统的变焦方程。已知变焦系统某
一
焦距位置处的结构，通过公式（９）就可以求出任意
其他焦距位置处的结构。
Ｄ一 ＋（１一卢一 ）‘ ＋
（１－ ￣卢ｍｃ ｌ＊ ）‘ Ｆ ｏｒ２ ￣Ｆｃ２
一
．
Ｆ Ｄ
Ｆｍ１＋ ｌ—Ｄ ｌ ‘
Ｉ１２＋ｊ ＋Ｄ器 一Ｄ 一Ｄ １ 一“
％ （卜古）‘ Ｆｍｌ ＂Ｆｃ１ ＋
（１－ ）。 Ｆ ｏｒ２￣Ｆｃ２
一
Ｆｍ ｌ＂Ｄｒｏｏ ｌ＊
一
ｌ＋ ｌ—Ｄ ｌ ｎｒｎ２＋ 十Ｄ 一Ｄ 一Ｄ １ ～ 一
２设计实例
２．１设计指标
采用中波红外凝视型焦平面３２０ｘ２４０元制冷探
测器，探测器像元尺寸为３０ ｐ．ｍｘ３０ ｔｘｍ，连续变焦
红外光学系统的设计指标如表ｌ所示。
表１光学设计指标
Ｔａｂ．１ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂａｎｄ／ｐ，ｍ
３．７—４．８
Ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ
４０
Ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ／ｍｍ
１０－４００
Ｆｎｕｍｂｅｒ ４
Ｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ ｄｉａｇｏｎａｌ／ｍｍ
１２
２．２设计结果
根据所推导出的公式（９）求出双双组联动型变
焦系统的理想高斯结构，然后选用合适的透镜替换
就得出了系统的初始结构。对初始结构进行优化设
是来满足这一要求。图６所示为该系统变倍组、补偿
组的变焦运动轨迹，变倍组行程为５６．５ ｍｍ，补偿组
行程为３８．９ ｍｍ，变焦曲线平滑无拐点，这保证了系
统变焦的可行性
图５系统结构图
Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
图６系统变焦轨迹
Ｆｉｇ．６ Ｚｏｏｍ ｐａｔｈｓ ｏｆ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ
２．３像质评价
图７所示为变焦系统在不同焦距位置处的调制传
递函数曲线。系统在奈奎斯特频率处（１６ ｌｐ／ｍｍ）￣ＮＪ制
传递函数值均大于０．３，说明该系统具有较好的成
像质量。图８所示为变焦系统在不同焦距位置处的
第３期 周 昊等：高变焦比中波红外连续变焦光学系统 ６６７
点列图。可以看出，任意焦距位置在全视场内的弥 散斑半径的均方根值均小于２２ ｔｘｍ，满足要求。
图７系统ＭＴＦ图
Ｆｉｇ．７ ＭＴＦ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ＯＢＪ：０ ０００ ０ ０ ０００ ０。０ＢＪ ０ ２０７ ０ ０ １ ５５ ０。
ＯＢＪ：Ｏ ０００ ０ ０ ０００ ０。 ＯＢＪ：０ ３０２ ０ ０ ９７７ ０。
豳
圜豳
豳圈
困圜
豳豳
圈圈
Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ
Ｆ＝４００ｍｍ
Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ
Ｆ＝６３ｍｍ
Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ
， －ｌ０ｍｍ
图８系统点列图
Ｆｉｇ．８ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
３结论
孙强，王肇圻，李凤友，等．红外３．２～４．５ ｍ波段折射，衍
射光学系统的减热差设计【Ｊ］．光学精密工程，２００２，１０（２）：
文中提出了双双组联动型连续变焦系统的设计
方案，并推导出了该类变焦系统的变焦方程。据此设
计了一款用于中波制冷型３２０ｘ２４０凝视焦平面阵列
１２１－１２５．
［２】 Ｍｅｎｇ Ｊｉａｎｑｉ．Ｄｕａｌ ｆｉｅｌｄ ｚｏｏｍ（６×）ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，３７（１）：
８９—９２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
探测器的红外连续变焦光学系统。系统仅采用八片
透镜，可以实现４０倍的变焦比，变焦行程短且曲线
盂剑奇．双视场６倍变焦红外热成像光学系统【Ｊ］．红外与
激光工程，２００８，３７（１）：８９－９２．
［３】Ｘｕ Ｚｈａｏｄｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｘｉｎ，Ｄｏｎｇ Ｔａｏ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｈｉｇｈ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＩＲ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ
平滑。系统轻型紧凑且满足冷光阑效率１００％的要
求。同时系统具有良好的成像质量，在奈奎斯特频率
处（１６ ｌｐ／ｍｍ）处的调制传递函数值均大于０．３，在全
视场内的弥散斑半径的均方根值均小于２２ ｍ。由
此可见双双组联动型连续变焦系统适用于高变焦比
［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３６（５）：６１９—６２１．
（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
许照东，刘欣，董涛．机载高分辨率连续变焦红外热像仪设
计【Ｊ］．红外与激光工程，２００７，３６（５）：６１９—６２１．
［４】 Ｚｈａｎｇ Ｌｉａｎｇ，Ｌｉｕ Ｈｏｎｇｘｉａ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｎｇ
连续变焦系统的设计，这为该类高变焦比中波红外
连续变焦系统在警戒、侦查等领域的应用打下基础。
参考文献：
【１］Ｓｕｎ Ｑｉａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｚｈａｏｑｉ，Ｌｉ Ｆｅｎｇｙｏｕ ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｔｈｅ
ａｔｈｅｒｒｎａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ３．２—
ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ 【Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，４Ｏ（７）：１２７９—１３０９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
张良，刘红霞．长波红外连续变焦光学系统的设计［Ｊ］．红外
与激光工程，２０１ｌ，４Ｏ（７）：１２７９—１３０９．
４．５ ｍ ｆＪ】．Ｏｐｔ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ，２００２，１Ｏ（２）：１２１－１２５．（ｉｎ
［５】Ｃｈｅｎ Ｌｖｊｉ，Ｌｉ Ｐｉｎｇ，Ｍａ Ｌｉｎ．Ｃｏｍｐａｃｔ ＭＷＩＲ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ［
６６８ 红外与激光工程 第４２卷
Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，３２（１０）：５６２—５６６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
陈吕吉，李萍，马琳．紧凑中波红外连续变焦光学系统［Ｊｊ．
红外技术，２０１０，３２（１０）：５６２—５６６．
ｄｄｌｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ
［６］
Ｇａｏ Ｈｏｎｇｙｕｎ Ｘｉｏｎｇ Ｔａｏ，Ｙａｎｇ Ｃｈａｎｇｃｈｅｎｇ．Ｍｉ
２０８４－２０８８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
刘峰，徐熙平，孙向阳，等．折／衍射混合红外目标搜索／跟
踪光学系统设计［Ｊ】．光学学报，２０１０，３０（７）：２０８４—２０８８．
［８】
Ｓｉｎｃｌａｉｒ Ｒ Ｌ．Ｈｉｇｈ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓｅｓ ｆｏｒ ３—５ ｕｍ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ［Ｊ】．ｏｐｔ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ，
２００７，１５（７）：１０３８－１０４３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，１９９８。３４２９：１１一ｌ８．
ｒｋ Ｃ Ｓａｎｓｏｎ．Ｊａｍｅｓ Ｃｏｒｎｅｌ１．ＭＷＩＲ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｗｉｔｈ
［９】
Ｍａ
郜洪云，熊涛，杨长城．中波红外连续变焦光学系统［Ｊ］．
光学精密工程，２００７，ｌ５（７）：１０３８－１０４３．
ｕ Ｆｅｎｇ，Ｘｕ Ｘｉｐｉｎｇ，Ｓｕｎ Ｘｉａｎｇｙａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
［７】
Ｌｉ
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｅｓ ｆｏｒ ｔａｒｇｅｔ
ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ［Ｃ］／／ＳＰＩＥ，２０１０．７６６０：７６６Ｏ１Ｘ一１—７６６０ｌＸ—ｌ２．
［１０】
Ｙｕ Ｄａｏｙｉｎ，Ｔａｎ Ｈｅｎｇｙｉｎｇ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，２００６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
郁道银，谭恒英．工程光学［Ｍ】．北京：机械工业出版社，
２００６
ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ／ｔｒａｃｋｉｎｇ ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｏｐｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１０，３０（７）：
●’●●＇…●…，●●●●…●’●●，●●…，…●…●…●■●…，…●●●…●…●●●…●●’●，●●…’…ｌ…●●＇…’…●…’…●…●…，…，…’…●…●…■…，…●…■…’…●…●…●…－…●●
，一～一～一一一、
：下期预览；
一＋－＋．一．一一一。
目标高真实感红外图像生成方法
黄曦，张建奇，张绍泽，吴鑫
（西安电子科技大学技术物理学院，陕西西安７１００７１）
摘 要：为满足仿真实验对高真实感目标红外图像的丰富需求，提出了一种基于实测图像与三维数字仿真
相结合的红外图像生成方法。首先通过测量获得物体表面实际辐射分布，并以之为基础数据，建立真实温度
分布的数学反演模型，生成目标红外纹理。然后将纹理映射到几何模型，最终利用三维渲染技术生成高真实
感红外图像。实验结果表明，该方法仿真灵活性高，生成的目标红外特征自然、准确，纹理细节丰富，图像实
用性强。