鄭建鋒
(中國電子科技集團公司第二十七研究所,鄭州 450047)
當(dāng)今,光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一,在日常生活中單反相機、手機鏡頭、視頻監(jiān)控、視頻會議和人臉識別等應(yīng)用場景隨處可見;在軍事上電視制導(dǎo)、微光夜視、紅外成像及衛(wèi)星成像偵察等技術(shù)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭不可或缺的技術(shù)手段。光學(xué)鏡頭是決定成像效果好壞的重要因素之一,鏡頭的各種像差會降低成像質(zhì)量,影響成像清晰度。光學(xué)設(shè)計是對光學(xué)鏡頭的各種像差進(jìn)行優(yōu)化,消除像差對成像質(zhì)量的影響。從最初利用對數(shù)表進(jìn)行手工計算到機械計算器的使用,再到計算機的普及與光學(xué)設(shè)計軟件的應(yīng)用,光學(xué)設(shè)計已經(jīng)經(jīng)歷了上百年的發(fā)展。雙高斯鏡頭是一種經(jīng)典的光學(xué)成像鏡頭,從其發(fā)明之日起,就經(jīng)歷了不斷的改進(jìn),如今這種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)非常成熟,在很多場合還在使用。本文設(shè)計了一種雙高斯鏡頭,該鏡頭在滿足設(shè)計要求的情況下,成像清晰、結(jié)構(gòu)緊湊且適用溫度范圍寬。
1817年,才華橫溢的德國數(shù)學(xué)家、測量地理學(xué)家、天文學(xué)家Carl Friedrich Gauβ為了解決哥廷根天文臺觀測望遠(yuǎn)鏡的像差問題,構(gòu)思出使用2片新月形鏡片的組合,1片正透鏡1片負(fù)透鏡,這種組合就是高斯結(jié)構(gòu)的起源。1888年,Alvan G.Clark發(fā)現(xiàn)用2對高斯結(jié)構(gòu)“背對背”反方向組合后,也可以成為一種成像效果很好的鏡頭,這就是雙高斯結(jié)構(gòu)概念的開始。
1890年,Baush&Lomb公司開始投資研發(fā)Alvan G.Clark發(fā)現(xiàn)的這種結(jié)構(gòu)的廣角鏡頭,此類鏡頭一直被銷售至1898年,但銷量不好,隨后停產(chǎn)。但后來更多歐洲的光學(xué)設(shè)計人員開始注意到雙高斯結(jié)構(gòu)并繼續(xù)研發(fā),有公司的同類產(chǎn)品一直銷售到1930年。此后相繼有不同的光學(xué)設(shè)計人員對雙高斯鏡頭持續(xù)改進(jìn)。雙高斯鏡頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 雙高斯鏡頭結(jié)構(gòu)
光學(xué)像差直接影響成像質(zhì)量的好壞,光學(xué)像差的種類有球差、慧差、像散、場曲、畸變和色差等,鏡頭的優(yōu)化設(shè)計,主要是對這些像差進(jìn)行優(yōu)化,使低階像差和高階像差實現(xiàn)完美平衡,將像差對像質(zhì)的影響降至最低,實現(xiàn)成像清晰[3]。如今,光學(xué)設(shè)計軟件已經(jīng)十分普及,本文采用光學(xué)設(shè)計軟件Zemax對鏡頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
以下所示為鏡頭的設(shè)計要求。
探測器靶面尺寸:7.065 6 mm×7.065 6 mm;
像元尺寸:3.45 μm×3.45 μm;
工作波段:400~700 nm;
焦距:20 mm;
F數(shù):3~4;
光學(xué)傳函MTF值(@145 lp/mm):中心視場大于等于0.4,0.7視場大于等于0.3;
相對畸變:全視場小于等于1.5%;
透過率:不低于80%;
工作溫度:-40~+65℃。
雙高斯鏡頭可實現(xiàn)較大的相對孔徑,典型的雙高斯物鏡,相對孔徑為1/2~1/1.7,視場角為40°~50°[4]。根據(jù)對設(shè)計要求的分析,該鏡頭選擇如圖2所示的雙高斯結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
圖2 雙高斯鏡頭初始結(jié)構(gòu)
采用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件對鏡頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后的光路圖如圖3所示,其中,左側(cè)第一片鏡片為保護(hù)窗口。
圖3 優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)
該鏡頭光路順暢,沒有“轉(zhuǎn)角生硬”的光線,各個視場光線“走勢”非常自然協(xié)調(diào);且鏡片結(jié)構(gòu)合理,沒有過凸或過凹的表面,鏡片邊緣厚度、中心厚度余量充足;鏡片口徑從左到右依次減小,這樣做的好處是鏡片安裝時可以從鏡筒一側(cè)安裝,這樣鏡筒中的“臺階”內(nèi)徑也是依次減小,鏡筒的加工可一次完成,不需倒方向重新“走刀”,因此可避免出現(xiàn)在鏡筒加工過程中對工件倒方向重新裝夾定位帶來的加工誤差,大大提高了鏡筒加工精度。
該鏡頭的工作溫度在-40~+65℃,范圍很寬,在該工作溫度范圍內(nèi)鏡筒通常需要采用鈦合金等線膨脹系數(shù)較小的金屬材料以便減輕溫度對成像質(zhì)量的影響,但此類材料一般價格昂貴,不適合需要嚴(yán)格控制成本的批量化生產(chǎn)。在該鏡頭的優(yōu)化設(shè)計過程中采用被動消熱差的方式將溫度對像質(zhì)的影響降至最低,被動消熱差通過玻璃材料的選擇及鏡頭參數(shù)的迭代優(yōu)化尋找最優(yōu)解[7]。最終的設(shè)計結(jié)果顯示在鏡筒采用一般鋁合金材料的情況下,鏡頭在要求的工作溫度范圍內(nèi)都能清晰成像,既滿足了指標(biāo)要求又很好地控制了成本。鏡頭優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)果如圖4—圖10所示。
圖4 +20℃點列圖
圖10 場曲、畸變曲線
從以上設(shè)計結(jié)果可以看出,該鏡頭在-40~+65℃的溫度范圍內(nèi)的3個取樣溫度下光斑尺寸接近衍射極限,在145 lp/mm的分辨率下MTF值在0.5~0.6之間,像質(zhì)優(yōu)異,其他指標(biāo)也滿足要求。確定方案后,對鏡頭進(jìn)行公差分析,結(jié)果如圖11—圖13所示。
圖11 公差分析設(shè)置
圖13 弧失MTF公差分析結(jié)果
圖5 -40℃點列圖
圖6 +65℃點列圖
從以上公差分析的結(jié)果可以看出,在合理的公差要求下,當(dāng)成品率為90%時,該鏡頭的中心視場MTF值大于0.4,邊緣視場MTF值大于0.3,在滿足合理公差的情況下,該鏡頭可確保清晰成像。由此可知該鏡頭方案公差合理,成品率高,具備較好的加工可行性。
圖7 +20℃光學(xué)傳函MTF曲線
圖8 -40℃光學(xué)傳函MTF曲線
圖9 +65℃光學(xué)傳函MTF曲線
圖12 子午MTF公差分析結(jié)果
根據(jù)鏡頭光學(xué)設(shè)計的結(jié)果,對鏡片、鏡筒等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計,并最終完成鏡頭的加工裝配,經(jīng)過實驗驗證,鏡頭成像效果較好,與設(shè)計方案比較一致,結(jié)果如圖14和圖15所示。
圖14 鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖15 鏡頭實物樣機及實際成像效果
本文設(shè)計了一款雙高斯成像鏡頭,采用Zemax軟件對鏡頭進(jìn)行了像差優(yōu)化,同時進(jìn)行了消熱差設(shè)計,使鏡筒不必采用鈦合金等昂貴材料即可確保在要求的-40~+65℃的較寬工作溫度范圍內(nèi)清晰成像。最終,鏡頭實物樣機的成像效果驗證了此鏡頭方案的像質(zhì)優(yōu)異,此外該鏡頭結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低且裝配簡單,適合批量化生產(chǎn)。