潛望鏡照相窗口光學系統(tǒng)二級光譜校正分析

赫玉琢 張 屹

（1.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；2.中南裝備有限責任公司，湖北 宜昌 443005）

大多數的光學系統(tǒng)中，二級光譜對整個系統(tǒng)來說不會很大，不至于顯著影響成像質量.但是，對于像潛望鏡這種轉象系統(tǒng)很長，總長達到10m以上的光學系統(tǒng)來說，其二級光譜就會很大，通過潛望鏡照相窗口拍攝的照片可以看到，被攝主體的邊緣環(huán)繞著彩色像斑，降低了清晰度和分辨率，嚴重影響了成像質量.為得到高質量的照片，滿足實際應用的需要，二級光譜的校正是必須要解決的問題.國內外對潛望鏡二級光譜的校正方法主要有［1］：1）加濾光鏡以縮小感光的光譜范圍；2）用光焦度相等的校正件更換原系統(tǒng)的一個或數個組件；3）在光學系統(tǒng)中加入光焦度為零的色差校正件.

在后兩種方法中，由于更換或加入的校正件是口徑最大的轉象系統(tǒng)或在其附近，使得零件口徑很大，再加上校正件必須使用某些特殊玻璃的原因，造成加工困難，成本高，不如加濾光鏡易于實現.但濾光鏡的缺點是濾掉了一部分光譜范圍，并使得透過率進一步降低.

近年來，隨著制備工藝的進步，發(fā)展了多種特殊光學玻璃和晶體玻璃［2］.本文將利用這些玻璃，與其他普通光學玻璃組成復消色差的方式，在潛望鏡照相窗口的后端進行像差校正.

1 二級光譜理論概述

實際光學系統(tǒng)與理想光學系統(tǒng)有很大的差異，即物空間的一個物點發(fā)出的光線經實際光學系統(tǒng)后，不再會聚于像空間的一點，而是一個彌散斑，彌散斑的大小與系統(tǒng)的像差有關［3］.單色光成像會產生性質不同的5種像差，軸上點單色像差只有球差一種，軸外點單色像差有彗差（正弦差）、像散、場曲和畸變，這些統(tǒng)稱為單色像差.像差除了單色像差外，還有一種顏色像差，即不同顏色的光的成像差異，主要有軸向色差和倍率色差，二級光譜是高級色差的一種.產生高級色差的原因主要有兩個，一是光學系統(tǒng)的孔徑或視場加大時會引進高級色差，二是由光學材料的色散和部分色散引起.

當一個光學系統(tǒng)對F光和C光消色差，即IF′＝IC′，但D光的像點并不與F光和C光的公共焦點重合，也就是說ID′≠IF′，ΔIFD′＝IF′－ID′≠0，這就是通常所說的二級光譜，如圖1所示.二級光譜是一種高級色差，用普通的光學玻璃難以校正的、比較頑固的高級色差.

圖1 色差曲線

雙膠合透鏡的二級光譜可用下式表示

2 光學玻璃材料選取

2.1 光學材料的特性

光學工程中所使用的材料涉及的范圍很廣，各種光學玻璃、工程塑料、天然晶體、人工晶體、若干種金屬及其若干種金屬和非金屬氧化物等都屬于光學材料的范疇［5］.用作鏡頭的光學材料，主要性能是折射率和透過率，兩個量都隨波長變化，是波長的函數.折射率隨波長的變化稱之為色散.影響透過率主要是界面的反射損失和材料的吸收.除此之外，光學材料還有牢固性、化學穩(wěn)定性、抗腐蝕性、可加工性等方面的要求［6］.用作校正二級光譜的光學材料，阿貝數（色散系數）和相對色散系數是最重要的性能指標.

2.2 校正二級光譜玻璃的選取

在普通光學玻璃中，相對色散系數與阿貝數的關系幾乎是一條直線［7］，對于校正二級光譜作用不大，因此，要在特殊光學玻璃或晶體中選取一種.

在特殊光學玻璃及晶體中，常見用于成像光學系統(tǒng)中的有鍺單晶、硅單晶、氟化鈣晶體，氟化鎂晶體，硒化鋅，硫化鋅等.鍺單晶和硅單晶都不透過可見光，不予選擇.氟化鈣和氟化鎂晶體都在可見光范圍內具有良好的透過率，但是其折射率很低，對于校正光學系統(tǒng)中其余像差貢獻不大.其中氟化鈣也叫螢石，是傳統(tǒng)消除二級光譜的良好材料，但氟化鈣的物理特性不大好，比較軟，易碎，抗氣候條件能力差，易潮解［8］.

硒化鋅和硫化鋅都是惰性材料，具有較寬的透過波長范圍和很高的折射率.其中硫化鋅中的多光譜CVD硫化鋅，透過波長范圍是0.37～14μm，適用可見光及紅外系統(tǒng).硒化鋅雖然也透過可見光，但它的透過波長范圍是0.5～22μm，濾掉了部分藍紫光.

圖2 樣板9.4mm厚的多光譜CVD硫化鋅透過率曲線

最終選擇紅外材料多光譜CVD硫化鋅，其在溫度20℃，波長為0.587 6μm（D 光）時，折射率為2.368，阿貝數15.305.將其代入潛望鏡照相窗口的光學系統(tǒng)中進行優(yōu)化設計，并分析其成像質量.

3 光學系統(tǒng)優(yōu)化設計

3.1 ZEMAX基本參數設置

在ZEMAX光學設計軟件中，輸入潛望鏡照相窗口的實際像面高度為1／3英寸CCD像面高度（6.4 mm×4.8mm），波長范圍為0.486～0.656μm（F、D、C光），環(huán)境溫度為20℃，1個標準大氣壓.

3.2 優(yōu)化設計思路

本設計是為了校正潛艇潛望鏡照相窗口光學系統(tǒng)的二級光譜，對于潛望鏡本身的結構和玻璃不做改變，只在其照相窗口的光學系統(tǒng)后面，加裝4塊玻璃，采用復消色差的方法，校正二級光譜，改變成像質量.由于潛艇潛望鏡鏡體很長，總長超過10m，其間光學玻璃近20塊，這里就不做介紹了.加裝的一組玻璃中，將其曲率半徑設為變量，玻璃厚度和空氣間隔因其結構尺寸的原因，經計算后確定其值不做改動，玻璃材料設為變量，其中中間一塊玻璃材料定為多光譜CVD硫化鋅.

圖3 優(yōu)化設計流程圖

利用ZEMAX光學設計軟件進行像差校正，要在其自動設計時進行人工調整，改變優(yōu)化的變量和多項像差指標的權重.如設計過程中，出現球差指標過大，可以把球差設定為優(yōu)化參數，設定一個具體值（要比原光學系統(tǒng)的球差數值小），優(yōu)化的權重可以設定為1，這樣再繼續(xù)優(yōu)化，一般可使球差變小.為增加系統(tǒng)透過率，各玻璃鍍可見光波段高效增透膜，此外，還要考慮結構尺寸的可裝配性，例如最后一個玻璃面不能離像面太近，否則沒有距離裝配.

3.3 優(yōu)化設計結果

本設計是用CCD接收像面，而CCD有保護玻璃，故設定最后玻璃曲面到像面距離不小于10mm，在設計的最后階段為改善像質可略微放松最后空氣間隔的權重數.下面是優(yōu)化設計部分參數和點列圖，如圖4～5所示.

圖4 結構參數

圖5 點列圖

上述結果表明，采用紅外材料多光譜CVD硫化鋅進行優(yōu)化設計，其成像質量優(yōu)良，能滿足潛望鏡照相窗口的使用要求.

硫化鋅因其優(yōu)良的理化性質和光學性質，經常用于制造整流罩和紅外光學系統(tǒng).隨著制備工藝的進步，使硫化鋅的透過波長范圍增加到可見光，經過在其表面鍍增透膜，讓多光譜CVD硫化鋅應用到可見光系統(tǒng)變成可能.在白光系統(tǒng)中，其2.367的折射率和15.305的色散系數是任何普通光學玻璃無法比擬的.事實證明，多光譜CVD硫化鋅對于校正白光光學系統(tǒng)像差具有很好的作用.

4 環(huán)境變化對光學系統(tǒng)的影響

4.1 溫度變化對光學系統(tǒng)的影響

溫度對光學系統(tǒng)的影響是多方面的，有對機械零件的影響，有對玻璃性能的影響，甚至對空氣的折射率也有影響.綜上這些影響，在光學系統(tǒng)中，最終會產生一定量的像面移動.采用多光譜CVD硫化鋅設計時溫度為20℃，現將溫度擴大到低溫－30℃至高溫40℃，分析溫度對系統(tǒng)帶來的影響.

由圖6～7可以看出，溫度在－30℃時，像質變化較大，而溫度在40℃時，像質變化不大.對系統(tǒng)進一步分析優(yōu)化，得到其自適應溫度區(qū)間為0～40℃，在這個溫度范圍內，光學系統(tǒng)無需進行離焦補償，就能滿足像質的要求.

圖6 －30℃、1標準大氣壓下的點列圖

圖7 40℃、1標準大氣壓下的點列圖

4.2 氣壓變化對光學系統(tǒng)的影響

氣壓對光學系統(tǒng)的影響主要是隨氣壓的變化空氣折射率也發(fā)生變化，進而影響到其成像質量.采用多光譜CVD硫化鋅進行系統(tǒng)設計時，氣壓為1個標準大氣壓，現將其擴大至0.8～1.2個標準大氣壓，分析氣壓對系統(tǒng)帶來的影響.

由圖8～9可以看出，氣壓在0.8和1.2個標準大氣壓時，像質變化較大.對系統(tǒng)進一步分析優(yōu)化，得到其自適應氣壓區(qū)間為0.9～1.1個標準大氣壓，在這個氣壓范圍內，光學系統(tǒng)無需進行離焦補償，就能滿足像質的要求.

圖8 20℃、0.8標準大氣壓下的點列圖

圖9 20℃、1.2標準大氣壓下的點列圖

5 結 語

通過利用紅外材料多光譜CVD硫化鋅，將其代入到潛望鏡照相窗口光學系統(tǒng)中，得到了較好的成像質量.這說明對于潛望鏡照相窗口二級光譜的校正，不限于傳統(tǒng)的幾種方法，隨著光學玻璃制備工藝的進步，能校正二級光譜的新型玻璃將不斷問世，使?jié)撏R二級光譜的校正有了新的方法，滿足其照相窗口新時期的使用要求.

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［2］ 王之江，顧培森.實用光學技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：531－536.

［3］ 郁道銀，談恒英.工程光學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：93－113.

［4］ 胡家生.光學工程導論［M］.2版.大連：大連理工大學出社，2005：502－519.

［5］ 王之江.光學技術手冊（上）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994：166－183.

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