三片式中波紅外物鏡設計

徐鵬

（南陽理工學院信息工程學院，河南 南陽473004）

1 概述

隨著科學技術的不斷發展進步，軍事和鏡頭相關的工商業領域都越來越多的使用紅外光學系統。尤其在軍事方面，光學系統發展迅速，導致軍事方面對光學系統的性能有越來越高的要求。通常情況下，攝遠物鏡的系統長度小于其焦距[1]，所以焦距相同時，把紅外物鏡設計成紅外攝遠物鏡就可以很大程度上減少系統的制作成本。

對于攝遠鏡頭，因為焦距大于筒長，我們又將其稱為長焦距鏡頭。此外，由于攝遠鏡頭可用于遠距離拍攝，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用。但是我國自主研發的攝遠鏡頭卻少之又少，而且價格昂貴，這導致我國攝遠鏡頭的市場一直被國外廠商持續霸占著。隨著科學技術的迅速發展，我國大力研發攝遠鏡頭。雖然攝遠鏡頭的設計制造都比較困難，但還是研發出了創新型、高性能的攝遠物鏡。因為攝遠鏡頭焦距長、鏡筒短，導致其光學系統結構就變得復雜，也有較大的二級光譜色差，所以早期的攝遠鏡頭結構簡單，設計也不困難，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，沒能進入市場[2]。但是近年來光學設計水平、光學元件加工工藝的不斷提高進步使得大孔徑鏡頭的研制不再困難。

2 紅外攝遠物鏡的設計分析

2.1 攝遠物鏡原理

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，提高光學系統的性價比，通常用一個正透鏡組和一個負透鏡組構成這樣的物鏡，將這種物鏡叫做攝遠物鏡。其原理圖如圖1 所示。

圖1 攝遠物鏡原理圖

為了縮小入瞳，通常情況讓正透鏡組在光學系統的前面，負透鏡組在光學系統的后面。由于攝遠系統中的透鏡結構只有正負兩個透鏡組，可以較好的校正彗差和球差。系統的像散和場曲由負透鏡組和彎月厚透鏡校正。攝遠物鏡的系統總長小于物鏡的焦距，通常能夠達到焦距的2/3～4/5。

2.2 紅外光學系統的無熱化設計

在設計優化紅外光學系統的過程中，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的成像質量，同時還要考慮到材料本身的物理屬性對系統成像質量的影響。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生的偏折就可忽略不計，而且鍺的性能較穩定，方便生產制造。硒化鋅的物理性能穩定，在寬光譜內穩定成像，在可見光和紅外光的照射下都可良好成像。

很多紅外光學系統都被要求能夠在不同的溫度條件下穩定的工作，并且都有良好的成像質量，但大部分的材料特性都會隨著溫度的改變而發生變化，以至于光學系統的成像質量變差。所以人們在設計紅外光學系統的時候會考慮到外部環境溫度對光學系統的影響，進而采取相應的方法來降低或者消除溫度對光學系統的影響，使紅外光學系統能一直保持良好的成像質量。這種消除或減少溫度影響系統成像質量的技術稱為無熱化技術[3]。目前國內主要采用的光學系統無熱化技術是機械被動式、電子主動式和光學被動式這三種[4]。機械被動式是利用記憶合金對溫度比較敏感的特性，使透鏡產生軸向位移，補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致像面位移的大小，再讓電動機驅動透鏡產生軸向位移，以此達到補償效果[5]。光學被動式是通過利用不同光學材料的不同性能，將不同的材料相互組合，來消除溫度對成像質量的影響。這種方式簡單方便、成本低，受到了廣泛的應用。

無熱化設計流程大概分為三步：常溫條件下設計出一個像質較好的系統；改變溫度，根據不同溫度時的系統成像結果，分析系統的像質發生哪些變化；采用無熱技術，使系統在要求一定的溫度范圍內有良好的成像質量。

3 三片式中波紅外物鏡系統的初始設計

綜合分析像差理論和光學設計確定初始結構。確定初始結構時常用PW 法和經驗法。PW 法通常用于確定較簡單的光學系統初始結構，但是其計算過程繁瑣復雜，為了可以盡快完成此次的光學系統設計，采用經驗法，將分析所得的光學特性參數與ZEBASE 數據庫中的初始結構相對比，選取相似的結構作為本次設計的初始結構，對選擇的初始結構進行參數修改和優化設計[6]。

表1 光學系統初始結構數據

本文設計的物鏡主要指標為：紅外探測器選用2/3 英寸CCD，工作波段是3～5μm，系統焦距f'=200mm，F 數：2.4。所選取的初始結構焦距f'=101.852mm，F=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的優化設計及像質分析

4.1 主要像差的校正

由于像差的必然存在，導致系統所成像與理想像之間存在一定的差別，所成的像達不到絕對的清晰。因為存在像差，光學系統成像達不到設計任務的理想要求，所以要不斷地進行像差校正，使得光學系統的成像趨于理想[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設置好相應的控制因子，如玻璃間的厚度、空氣厚度、調制傳遞函數等來進行不斷地優化，借此校正像差，使得最終光學系統滿足成像質量要求[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，是指軸外光線經系統后聚焦點前后變換，所成的像并不在理想像面上，屬于軸外點光束像差[10]。本文選用合適的正透鏡和負透鏡相結合，借此校正場曲。像散是一種軸外像差，它主要指光線在經過光學系統后不能在像面上匯聚成一點，進而使得成像模糊[11]。

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

如圖2 是初始結構的像散和畸變曲線圖，由圖可得該光學系統存在像散。在右側曲線圖中，縱坐標表示該系統的視場，橫坐標表示該系統畸變的百分比數值，通常情況下光學系統的相對畸變數值小于5%就滿足設計要求[13]，而本系統中的相對畸變的數值最大值小于0.05%，說明此系統成像質量良好。所以本次設計對畸變不做過多優化。

圖2 優化前的像散（左）、畸變（右）圖

4.2 設計結果及像質評價

本次設計在經過多次的設置參數變量和設置控制因子，進而對初始結構的系統進行不斷地優化和像差校正，直到最終的成像質量滿足設計要求。優化后的系統二維光線追跡圖如圖3所示，優化后的光學系統結構參數如表2 所示。

圖3 優化后的二維光線追跡圖

表2 優化后的光學系統結構參數表

最終的光學系統結構參數：F 數為2.43，焦距f'=200mm，系統總長為160 mm。

圖4(a)為系統的調制傳遞函數曲線。相比初始結構，系統的調制傳遞函數有了明顯的提高。圖4(b)所示為優化后的點列圖，相比較初始結構的時候都降低了很多，這表明經過各種像差校正優化之后，成像質量滿足本次的設計要求。

圖4 優化后MTF 曲線圖和點列圖

如圖5 是優化后的場曲畸變圖。由圖得，優化后系統的場曲最大為0.5 mm，達到任務設計要求。通常情況下要求相對畸變的數值要小于5%，由圖可知該系統的畸變最大值僅為1%，因此滿足設計要求。

圖5 優化后的場曲畸變圖