徐鵬

（南陽理工學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 南陽473004）

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，軍事和鏡頭相關(guān)的工商業(yè)領(lǐng)域都越來越多的使用紅外光學(xué)系統(tǒng)。尤其在軍事方面，光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展迅速，導(dǎo)致軍事方面對光學(xué)系統(tǒng)的性能有越來越高的要求。通常情況下，攝遠(yuǎn)物鏡的系統(tǒng)長度小于其焦距[1]，所以焦距相同時，把紅外物鏡設(shè)計成紅外攝遠(yuǎn)物鏡就可以很大程度上減少系統(tǒng)的制作成本。

對于攝遠(yuǎn)鏡頭，因為焦距大于筒長，我們又將其稱為長焦距鏡頭。此外，由于攝遠(yuǎn)鏡頭可用于遠(yuǎn)距離拍攝，而且鏡筒較短、便于攜帶，所以得到攝影愛好者和新聞工作者的追捧，因此得到了較廣泛的應(yīng)用。但是我國自主研發(fā)的攝遠(yuǎn)鏡頭卻少之又少，而且價格昂貴，這導(dǎo)致我國攝遠(yuǎn)鏡頭的市場一直被國外廠商持續(xù)霸占著。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國大力研發(fā)攝遠(yuǎn)鏡頭。雖然攝遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計制造都比較困難，但還是研發(fā)出了創(chuàng)新型、高性能的攝遠(yuǎn)物鏡。因為攝遠(yuǎn)鏡頭焦距長、鏡筒短，導(dǎo)致其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就變得復(fù)雜，也有較大的二級光譜色差，所以早期的攝遠(yuǎn)鏡頭結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計也不困難，但是由于它的相對孔徑小，像面上沒有得到充足像面照度，也因此沒有滿足市場需求，沒能進(jìn)入市場[2]。但是近年來光學(xué)設(shè)計水平、光學(xué)元件加工工藝的不斷提高進(jìn)步使得大孔徑鏡頭的研制不再困難。

2 紅外攝遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計分析

2.1 攝遠(yuǎn)物鏡原理

一般情況下，物鏡的長度會大于它的焦距，但是高倍率望遠(yuǎn)鏡的物鏡焦距比物鏡長度要大，為了降低制作成本，提高光學(xué)系統(tǒng)的性價比，通常用一個正透鏡組和一個負(fù)透鏡組構(gòu)成這樣的物鏡，將這種物鏡叫做攝遠(yuǎn)物鏡。其原理圖如圖1 所示。

圖1 攝遠(yuǎn)物鏡原理圖

為了縮小入瞳，通常情況讓正透鏡組在光學(xué)系統(tǒng)的前面，負(fù)透鏡組在光學(xué)系統(tǒng)的后面。由于攝遠(yuǎn)系統(tǒng)中的透鏡結(jié)構(gòu)只有正負(fù)兩個透鏡組，可以較好的校正彗差和球差。系統(tǒng)的像散和場曲由負(fù)透鏡組和彎月厚透鏡校正。攝遠(yuǎn)物鏡的系統(tǒng)總長小于物鏡的焦距，通常能夠達(dá)到焦距的2/3～4/5。

2.2 紅外光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計

在設(shè)計優(yōu)化紅外光學(xué)系統(tǒng)的過程中，紅外材料的選取十分重要。材料的折射率等因素會直接影響到系統(tǒng)的成像質(zhì)量，同時還要考慮到材料本身的物理屬性對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。長波紅外波段常常使用鍺、硫化鋅等幾種材料。通常情況下，鍺的折射率大于其他材料，所以在曲率半徑方面鍺材料的透鏡要大于其他材料的透鏡，這樣光線入射到鍺透鏡表面時發(fā)生的偏折就可忽略不計，而且鍺的性能較穩(wěn)定，方便生產(chǎn)制造。硒化鋅的物理性能穩(wěn)定，在寬光譜內(nèi)穩(wěn)定成像，在可見光和紅外光的照射下都可良好成像。

很多紅外光學(xué)系統(tǒng)都被要求能夠在不同的溫度條件下穩(wěn)定的工作，并且都有良好的成像質(zhì)量，但大部分的材料特性都會隨著溫度的改變而發(fā)生變化，以至于光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量變差。所以人們在設(shè)計紅外光學(xué)系統(tǒng)的時候會考慮到外部環(huán)境溫度對光學(xué)系統(tǒng)的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的方法來降低或者消除溫度對光學(xué)系統(tǒng)的影響，使紅外光學(xué)系統(tǒng)能一直保持良好的成像質(zhì)量。這種消除或減少溫度影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的技術(shù)稱為無熱化技術(shù)[3]。目前國內(nèi)主要采用的光學(xué)系統(tǒng)無熱化技術(shù)是機(jī)械被動式、電子主動式和光學(xué)被動式這三種[4]。機(jī)械被動式是利用記憶合金對溫度比較敏感的特性，使透鏡產(chǎn)生軸向位移，補(bǔ)償溫度變化引起的像面位移；電子主動式是由溫度傳感器測出溫度的變化量，通過計算出由溫度變化導(dǎo)致像面位移的大小，再讓電動機(jī)驅(qū)動透鏡產(chǎn)生軸向位移，以此達(dá)到補(bǔ)償效果[5]。光學(xué)被動式是通過利用不同光學(xué)材料的不同性能，將不同的材料相互組合，來消除溫度對成像質(zhì)量的影響。這種方式簡單方便、成本低，受到了廣泛的應(yīng)用。

無熱化設(shè)計流程大概分為三步：常溫條件下設(shè)計出一個像質(zhì)較好的系統(tǒng)；改變溫度，根據(jù)不同溫度時的系統(tǒng)成像結(jié)果，分析系統(tǒng)的像質(zhì)發(fā)生哪些變化；采用無熱技術(shù)，使系統(tǒng)在要求一定的溫度范圍內(nèi)有良好的成像質(zhì)量。

3 三片式中波紅外物鏡系統(tǒng)的初始設(shè)計

綜合分析像差理論和光學(xué)設(shè)計確定初始結(jié)構(gòu)。確定初始結(jié)構(gòu)時常用PW 法和經(jīng)驗法。PW 法通常用于確定較簡單的光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，但是其計算過程繁瑣復(fù)雜，為了可以盡快完成此次的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，采用經(jīng)驗法，將分析所得的光學(xué)特性參數(shù)與ZEBASE 數(shù)據(jù)庫中的初始結(jié)構(gòu)相對比，選取相似的結(jié)構(gòu)作為本次設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)，對選擇的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)修改和優(yōu)化設(shè)計[6]。

表1 光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

本文設(shè)計的物鏡主要指標(biāo)為：紅外探測器選用2/3 英寸CCD，工作波段是3～5μm，系統(tǒng)焦距f'=200mm，F(xiàn) 數(shù)：2.4。所選取的初始結(jié)構(gòu)焦距f'=101.852mm，F(xiàn)=4.036，2ω=70，工作波段是3.2～4.2 μm。

4 三片式中波紅外物鏡系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及像質(zhì)分析

4.1 主要像差的校正

由于像差的必然存在，導(dǎo)致系統(tǒng)所成像與理想像之間存在一定的差別，所成的像達(dá)不到絕對的清晰。因為存在像差，光學(xué)系統(tǒng)成像達(dá)不到設(shè)計任務(wù)的理想要求，所以要不斷地進(jìn)行像差校正，使得光學(xué)系統(tǒng)的成像趨于理想[7]。

本文的像差校正主要是使用自動校正法。自動校正是利用評價函數(shù)設(shè)置好相應(yīng)的控制因子，如玻璃間的厚度、空氣厚度、調(diào)制傳遞函數(shù)等來進(jìn)行不斷地優(yōu)化，借此校正像差，使得最終光學(xué)系統(tǒng)滿足成像質(zhì)量要求[8]。

彗差是軸外像差之一，它破壞了軸外視場成像的清晰度[9]。場曲也稱像場彎曲，是指軸外光線經(jīng)系統(tǒng)后聚焦點(diǎn)前后變換，所成的像并不在理想像面上，屬于軸外點(diǎn)光束像差[10]。本文選用合適的正透鏡和負(fù)透鏡相結(jié)合，借此校正場曲。像散是一種軸外像差，它主要指光線在經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后不能在像面上匯聚成一點(diǎn)，進(jìn)而使得成像模糊[11]。

發(fā)光體經(jīng)透鏡成像后，物體的幾何形狀與實際成像不符，發(fā)生了幾何形變。這種與理想成像的差距稱之為畸變[12]。對于單個折射面，如果將光闌設(shè)在球心處，主光線穿過透鏡中心且與理想像點(diǎn)重合，不產(chǎn)生畸變。對于單個薄透鏡組來說，只需將光闌與透鏡組合理結(jié)合即可在一定程度上消除畸變。

如圖2 是初始結(jié)構(gòu)的像散和畸變曲線圖，由圖可得該光學(xué)系統(tǒng)存在像散。在右側(cè)曲線圖中，縱坐標(biāo)表示該系統(tǒng)的視場，橫坐標(biāo)表示該系統(tǒng)畸變的百分比數(shù)值，通常情況下光學(xué)系統(tǒng)的相對畸變數(shù)值小于5%就滿足設(shè)計要求[13]，而本系統(tǒng)中的相對畸變的數(shù)值最大值小于0.05%，說明此系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。所以本次設(shè)計對畸變不做過多優(yōu)化。

圖2 優(yōu)化前的像散（左）、畸變（右）圖

4.2 設(shè)計結(jié)果及像質(zhì)評價

本次設(shè)計在經(jīng)過多次的設(shè)置參數(shù)變量和設(shè)置控制因子，進(jìn)而對初始結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行不斷地優(yōu)化和像差校正，直到最終的成像質(zhì)量滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后的系統(tǒng)二維光線追跡圖如圖3所示，優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

圖3 優(yōu)化后的二維光線追跡圖

表2 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

最終的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：F 數(shù)為2.43，焦距f'=200mm，系統(tǒng)總長為160 mm。

圖4(a)為系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。相比初始結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)有了明顯的提高。圖4(b)所示為優(yōu)化后的點(diǎn)列圖，相比較初始結(jié)構(gòu)的時候都降低了很多，這表明經(jīng)過各種像差校正優(yōu)化之后，成像質(zhì)量滿足本次的設(shè)計要求。

圖4 優(yōu)化后MTF 曲線圖和點(diǎn)列圖

如圖5 是優(yōu)化后的場曲畸變圖。由圖得，優(yōu)化后系統(tǒng)的場曲最大為0.5 mm，達(dá)到任務(wù)設(shè)計要求。通常情況下要求相對畸變的數(shù)值要小于5%，由圖可知該系統(tǒng)的畸變最大值僅為1%，因此滿足設(shè)計要求。

圖5 優(yōu)化后的場曲畸變圖