長焦物鏡折衍混合式平行光管設(shè)計

張洪濤，翟旭華，曲宙

(裝甲兵技術(shù)學院 控制工程系，長春 130117)

平行光管是光學實驗及計量檢測的重要設(shè)備，是一種高精度測試儀器，可以測量微小角度位移及平面的微小起伏，是目前工廠和實驗室的測試儀器之一；同時，也是照相物鏡和望遠物鏡等無限共軛成像光學系統(tǒng)的校調(diào)和像質(zhì)檢驗不可缺少的測量基準。在檢測中，高精度平行光管對保證質(zhì)量至關(guān)重要[1，2]，其工作原理是用來產(chǎn)生平行光，兩端分別為消色透鏡組和照明系統(tǒng)。

衍射光學元件由于具有一系列獨特的性質(zhì)，在成像光學系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，人們也一直在嘗試將衍射光學元件應用于軍用成像光學系統(tǒng)。20世紀90年代后期，日本和北美就已在可見光波段將衍射光學元件用于 CMOS和 CCD相機光學系統(tǒng)。不久前國外出現(xiàn)的一種遠攝型照相鏡頭和一種變焦鏡頭中都已采用了衍射光學元件，使得鏡頭的體積更小，重量更輕，成像質(zhì)量更好[3]。本文探討一種長焦物鏡折衍混合式平行光管的設(shè)計方法，對其它大孔徑平行光管的設(shè)計也具有參考意義。

1 傳統(tǒng)平行光管的設(shè)計方案

平行光管系統(tǒng)一般采用完全反射或完全折射元件來完成，但反射式系統(tǒng)體積大，裝調(diào)、加工困難，不適宜軍事應用。因此，使用透射式系統(tǒng)(以便同后面的混合系統(tǒng)作比較)，但必須使用不同的透鏡材料。由于機械長度的限制，平行光管的相對口徑約為1:6，像差校正困難，為此選用三片式復消色差系統(tǒng)進行設(shè)計，在CODEV下優(yōu)化得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢钥吹皆诟鞣N優(yōu)化條件都加以考慮的情況下，包括厚度、距離等都做了無法忍受的讓步，但系統(tǒng)依然笨重、不適用，像差也比較大?；谝陨先秉c，采用新的方法對該系統(tǒng)加以改進設(shè)計。

圖1 傳統(tǒng)式平行光管光路圖Fig.1 Optical length Scheme of conventional parallel collimator

1.1 長焦復消色差平行光管物鏡的設(shè)計原理與方法

長焦復消色差平行光管是光學設(shè)計的難題之一，本文在設(shè)計過程中，利用波差與球差、慧差、波色差與位置色差、二級光譜的關(guān)系，推導出求解三片復消色差物鏡初始結(jié)構(gòu)方程式，為后續(xù)的設(shè)計工作打下了堅實的理論基礎(chǔ)[4-6]。

二元光學元件(BOE)的等效阿貝數(shù)和相對部分色散為

由于上述討論中沒有限定混合透鏡的材料，因此在原則上，混合透鏡的材料可在整個玻璃范圍內(nèi)選擇。常用玻璃范圍的兩端是普通冕牌玻璃和重火石玻璃，可選擇其中兩種最常用的玻璃K9或ZF3。當選擇K9作為混合透鏡材料時，將BOE和K9的兩個坐標點連起來，得到混合等效玻璃線 BOE-K9直線，如圖2所示。

圖2 混合等效玻璃線圖Fig.2 Hybrid effective optical glass curve

設(shè)計時，選擇任一種不在該直線上的玻璃 G1進行組合都能使二級光譜得到校正。但是從獲得合理光焦度解的角度，希望選擇的材料在時，有足夠大的差值，設(shè)差值。

1.2 長焦復消色差平行光管物鏡的設(shè)計結(jié)果

圖3 傳統(tǒng)式平行光管光路圖Fig.3 Optical length Scheme of conventional parallel collimator

在系統(tǒng)的焦距為：f=500mm，系統(tǒng)的口徑為：D=80mm，工作波段為可見光：486.1~656.3nm，平行光管的全視場角為1°的條件下，通過使用光學設(shè)計軟件CODEV優(yōu)化，得到了最優(yōu)化平行光管系統(tǒng)的總長為500mm，光學系統(tǒng)的重量約為405.9g，得到光學系統(tǒng)的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖3所示，滿足設(shè)計要求的光學系統(tǒng)的點列圖、光學傳遞函數(shù)曲線和像差曲線分別如圖4-圖6所示。

圖4 平行光管光學系統(tǒng)的點列圖Fig.4 Spot-diagram curve of parallel collimator optical system

圖5 平行光管的光學傳遞函數(shù)曲線Fig.5 Optical modulating transfer function curve

圖6 平行光管系統(tǒng)像差曲線Fig.6 Aberration curve of parallel collimator system

2 折衍混合式平行光管的設(shè)計方法

在系統(tǒng)的焦距為：f=500mm，系統(tǒng)的口徑為：D=80mm，工作波段為可見光：486.1～656.3nm的條件下，借助于光學設(shè)計軟件CODEV進行優(yōu)化設(shè)計，得到了最優(yōu)化系統(tǒng)如圖7所示，系統(tǒng)的總長為480mm，光學系統(tǒng)的重量約為253.5g。表1給出了系統(tǒng)的最佳參數(shù)，光闌置于透鏡1的前表面，在透鏡2的后表面加衍射面，利用上述理論分析可知，衍射面遠離光闌時，對光學系統(tǒng)的球差、彗差、像散和畸變都有一定影響，而且透鏡2的后表面為凸球面，為衍射面的加工提供了便利條件，系統(tǒng)最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果如圖8-圖10所示。

圖7 含衍射元件平行光管光路圖Fig.7 Optical length scheme of parallel collimator with diffractive elements

圖8 含衍射元件平行光管調(diào)制傳遞函數(shù)圖Fig.8 Modulation transfer function of parallel collimator with diffractive elements

圖9 含衍射元件平行光管點列圖Fig.9 Spot-diagram curve of parallel collimator with diffractive elements

圖10 含衍射元件平行光管像差曲線圖Fig.10 Aberration curve of parallel collimator system with diffractive elements

表1 折/衍混合平行光管設(shè)計的最佳參數(shù)表Tab.1 Optimized parameters of the design for refractive diffractive hybrid parallel collimator

3 對比分析

3.1 調(diào)制傳遞函數(shù)

光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線，橫坐標和縱坐標分別為像面上的空間頻率和光學系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)值。傳統(tǒng)鏡頭設(shè)計在501p/mm空間頻率處，系統(tǒng)的 MTF值約為0.33，不到系統(tǒng)衍射極限的一半；而折射/衍射混合系統(tǒng)在501p/mm空間頻率處，系統(tǒng)的 MTF值約為0.71，幾乎接近系統(tǒng)衍射極限，遠遠高于傳統(tǒng)設(shè)計方案。

3.2 點列圖

點列圖是由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學系統(tǒng)后，因像差使其與像面的焦點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形。點列圖忽略了衍射效應。實驗和使用結(jié)果表明，在大像差系統(tǒng)中的點列圖中，點的分布能近似的代表點像的能量分布，因此，用點列圖來評價大像差、高精度系統(tǒng)的像質(zhì)是一種方便易行的方法。傳統(tǒng)鏡頭的最大點斑的均方根直徑為50m；折射/衍射混合系統(tǒng)最大點斑的均方根直徑僅為5.2m。因此，折射/衍射混合系統(tǒng)具有非常高的能量集中度。

3.3 像差曲線圖

在衍射能量曲線圖中，橫坐標是光瞳半徑，縱坐標為像差值?？梢?，傳統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)中像差為0.022mm，而折射/衍射混合系統(tǒng)中像差僅為0.006mm。

4 結(jié)論

根據(jù)衍射透鏡特點進行單色像差校正和復消色差校正，使設(shè)計結(jié)構(gòu)更加緊湊、片數(shù)少、透射比更高，具有良好的消像差特性，實現(xiàn)了軍事對輕、巧、小的便攜式要求，這種設(shè)計方案成像質(zhì)量高，具有重要的實用價值和開創(chuàng)性意義。

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