可見(jiàn)與近紅外波段大視場(chǎng)平行光管物鏡設(shè)計(jì)研究

崔瑩瑩，文大化，呂超，車(chē)英

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

微光夜視系統(tǒng)是一種能充分利用夜間天光，通過(guò)光增強(qiáng)技術(shù)，使人眼能夠觀察低照度目標(biāo)的系統(tǒng)，成為微光夜視儀。微光夜視技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)在著重發(fā)展科學(xué)技術(shù)，并且首先應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中而且得到發(fā)展。目前，微光夜視技術(shù)已經(jīng)在夜間觀察、橋梁架建、瞄準(zhǔn)、水下作業(yè)等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

夜視系統(tǒng)可靠性是衡量其性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，因此，微光夜視系統(tǒng)在定型前，必須進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。為此，要用平行光管檢測(cè)法對(duì)微光瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，即利用平行光管為被試微光瞄準(zhǔn)鏡(靠近平行光管物鏡)提供均勻光照度環(huán)境，模擬一個(gè)微光遠(yuǎn)距目標(biāo)，被試微光瞄準(zhǔn)鏡接收后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

1 平行光管技術(shù)參數(shù)確定

平行光管物鏡的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)分別為視場(chǎng)、通光孔徑、焦距、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。

(1)平行光管的物鏡視場(chǎng)

平行光管的物鏡視場(chǎng)依據(jù)被試瞄準(zhǔn)鏡所需最大視場(chǎng)確定，按需求平行光管的物鏡全視場(chǎng)定為20°。

(2)平行光管物鏡通光口徑

(3)平行光管物鏡焦距

在平行光管物鏡的視場(chǎng)、有效通光口徑均確定情況下，平行光管物鏡焦距長(zhǎng)短的選定與傳輸通光量的多少、分辨率板刻線細(xì)度、分劃板線視場(chǎng)、像差平衡、漸暈、光照度的不均勻性、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等多項(xiàng)因素有關(guān)。在綜合考慮上述各項(xiàng)影響因素的利弊關(guān)系，并結(jié)合技術(shù)要求與物鏡的設(shè)計(jì)難易程度、加工工藝水平等，最終確定平行光管物鏡的焦距為500mm。

(4)平行光管物鏡的工作譜段：

平行光管物鏡復(fù)消色差譜段的選擇應(yīng)與微光夜視儀像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)范圍和夜視儀物鏡的消色差光譜相匹配，綜合考慮平行光管物鏡復(fù)消色差譜段選為0.486～0.863。

(5)平行光管物鏡的MTF值

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

物鏡復(fù)消色差譜段在0.486～0.863 m之間，復(fù)消色差要求既要消除高斯區(qū)域內(nèi)的二級(jí)光譜，同時(shí)也要消除高斯區(qū)域外的色球差。為了校正二級(jí)光譜，采用了具有特殊色散的玻璃TF3與校正二級(jí)光譜使用較多的LAK2玻璃進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

二級(jí)光譜公式：

TF3玻璃和另一種玻璃LAK2配對(duì)時(shí)，所得二級(jí)光譜很小，兼顧系統(tǒng)的二級(jí)光譜和高級(jí)球差，須使每個(gè)單元透鏡的光焦度絕對(duì)值盡量小，因此，要求正透鏡的 值盡可能大，負(fù)透鏡的 值盡可能小。為降低高級(jí)像散，應(yīng)選擇正透鏡的折射率盡可能高些，負(fù)透鏡的折射率盡可能小些，所以，選擇這組玻璃是合理的。

對(duì)于像差的校正，可以從以下幾個(gè)方面做到：對(duì)于焦距的分配，使它對(duì)稱變化可以校正位置色差CI，而對(duì)于倍率色差Cn，它的校正需要焦距的失對(duì)稱。因此，需要對(duì)焦距分配的均衡。而對(duì)于球差和像散，它們的校正，主要是依靠透鏡半徑彎曲的對(duì)稱性，但這對(duì)彗差和畸變的校正不利，因?yàn)閷?duì)透鏡彎曲的失對(duì)稱變化時(shí)對(duì)校正彗差和畸變。而對(duì)于匹茲伐和的校正，可以通過(guò)調(diào)整正負(fù)透鏡的距離實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)中的每個(gè)透鏡的半徑變化，對(duì)像差的校正都是有貢獻(xiàn)和局限的，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到各個(gè)像差的貢獻(xiàn)，綜合設(shè)計(jì)。

表1 玻璃參數(shù)值Tab.1 Glass parameter values

對(duì)于像差和場(chǎng)曲的校正，通過(guò)增大前組玻璃和光闌附近玻璃的厚度實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在系統(tǒng)的前后組之間加入一個(gè)反常膠合面，在減小軸外球差的同時(shí)，引入正高級(jí)像散，這樣就能抵償系統(tǒng)本身的負(fù)高級(jí)像素，最終改善像散對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，反常膠合面的加入也可以使成像高度降低，這對(duì)軸外球差的校正很有利。優(yōu)化處理后得到的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 平行光管物鏡像質(zhì)評(píng)價(jià)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，平行光管物鏡的 MTF曲線圖如圖2所示，在截止頻率為35lp/mm時(shí)，全視場(chǎng)的MTF值可以達(dá)到55%以上，中心視場(chǎng)的MTF值大于70%，已經(jīng)接近衍射極限，分辨率滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

平行光管物鏡的場(chǎng)曲和畸變也都得到較好的校正，最大畸變小于0.02%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。如圖3所示。

如圖所4示，可以知道，該平常光管物鏡光學(xué)系統(tǒng)的軸上球差已經(jīng)得到了較好的校正，色差在0.707帶附近，也得到較好的校正，同時(shí)，二級(jí)光譜可以控制在0.05mm以內(nèi)，對(duì)像質(zhì)影響可以說(shuō)是比較小的，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

圖2 調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.2 Modulation transfer function

圖3 場(chǎng)區(qū)和畸變Fig.3 Field curvation and distortion

圖4 球差/色差Fig.4 Spherical aberration/color aberration

4 結(jié)論

本文針對(duì)可見(jiàn)與近紅外波段大視場(chǎng)平行光管物鏡進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)ZEMAX軟件，完成了平行光管物鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了像差分析，給出了較為完善的設(shè)計(jì)結(jié)果，滿足微光瞄準(zhǔn)鏡可靠性試驗(yàn)設(shè)備的檢測(cè)要求。本設(shè)計(jì)能為大視場(chǎng)微光瞄準(zhǔn)鏡提供更加合理的光應(yīng)力，使可靠性試驗(yàn)考核更為客觀、科學(xué)。

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