長焦距小型無熱化電視光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳秀萍，孫 婷，高 婧，羅傳偉，李 元，何玉蘭，楊華梅，李潔瓊

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

為適應(yīng)軍事需求，現(xiàn)代光電儀器在提高作用距離的同時，向小型化輕量化方向發(fā)展，從而對電視觀瞄具有了更高的要求。目前，光學(xué)系統(tǒng)的小型化輕量化設(shè)計(jì)已有多種手段［1－6］。采用特種面型，如非球面、衍射面及自由曲面，不僅有利于像差校正，而且可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；采用高折射率材料，也有利于簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；采用特殊結(jié)構(gòu)如攝遠(yuǎn)型結(jié)構(gòu)或折反射式結(jié)構(gòu)，可壓縮軸向長度。折反射式結(jié)構(gòu)由于裝調(diào)難度大，易受環(huán)境的影響等使之應(yīng)用受到限制。日本佳能的長焦距（800mm）定焦鏡頭采用攝遠(yuǎn)型結(jié)構(gòu)壓縮總長（461mm），攝遠(yuǎn)比為0.57；采用特殊材料如螢石和超低色散材料來校正二級光譜色差，系統(tǒng)像質(zhì)良好［7］。本文為了滿足長焦距電視小型化的需求，采用攝遠(yuǎn)型結(jié)構(gòu)，使攝遠(yuǎn)比達(dá)到了0.53，采用高折射率低色散的負(fù)透鏡和低折射率高色散的正透鏡膠合校正色差，并對系統(tǒng)進(jìn)行了消雜光及光機(jī)無熱化設(shè)計(jì)，通過合理地設(shè)置光闌減少了系統(tǒng)的雜散光，選擇合適的結(jié)構(gòu)材料與光學(xué)材料相匹配，使之在整個工作溫度范圍（－40℃～＋65℃）內(nèi)，無需調(diào)焦便可滿足高低溫等惡劣環(huán)境下的像質(zhì)和光軸穩(wěn)定性要求。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小視場電視焦距382mm，視場0.9°，光譜范圍600nm～850nm，系統(tǒng)長度不大于202mm。本設(shè)計(jì)采用正負(fù)組分離且正組在前的攝遠(yuǎn)型折射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，攝遠(yuǎn)比為0.53，系統(tǒng)前組承擔(dān)較大的光焦度，其結(jié)構(gòu)較后組復(fù)雜。由于相對口徑較大，前組采用膠合－正單－膠合的3片透鏡，不僅可以承擔(dān)較大的相對口徑，而且采用高折射率低色散的負(fù)透鏡H-LaF4和低折射率高色散的正透鏡HZBaF1膠合可以使色差得到較好的校正。后組采用雙分離透鏡組，有利于不對稱結(jié)構(gòu)中畸變的校正。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。點(diǎn)列斑和MTF如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，系統(tǒng)的點(diǎn)列斑最大4.7μm，小于探測器的像元尺寸6μm，MTF接近衍射極限，可保證系統(tǒng)成像清晰。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Optical system structure

圖2 系統(tǒng)的點(diǎn)列斑Fig.2 Spot of optical system

圖3 系統(tǒng)的MTFFig.3 MTF of optical system

2 雜散光分析與消雜光設(shè)計(jì)

對于電視系統(tǒng)，雜散光對像質(zhì)影響較大，因此需要對雜散光進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施消除雜散光。消除雜散光有兩種常用方式：1）降低鏡筒內(nèi)壁的反射率。通過Lighttools仿真可知，鏡筒內(nèi)壁反射率由20%降到10%時，雜光系數(shù)由10.75%降到5.21%，即雜光系數(shù)隨反射率的降低同比下降，因此可以通過消雜光齒紋減小鏡筒和隔圈內(nèi)壁的反射率來達(dá)到消雜光目的。2）采用消雜光光闌。當(dāng)進(jìn)入鏡筒內(nèi)部0.45°的光線能夠順利到達(dá)像面而不被遮攔，則認(rèn)為系統(tǒng)的成像光線能夠完全到達(dá)像面，同時，到達(dá)像面的雜散光應(yīng)該最少，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)光闌的通光口徑。由于越靠近像面，光闌對雜光的消除效果越明顯，因此可以先設(shè)計(jì)離像面位置最近的光闌。如圖4所示，當(dāng)0.45°的光線進(jìn)入鏡筒時，有一小部分光已經(jīng)被鏡筒內(nèi)部的光闌（φ10mm）擋住了，需要將光闌尺寸增大為φ11.5mm，使有效光線全部通過；而最接近像面處的光闌孔徑較大（φ8mm），需要將像方光闌直徑縮小為φ6.4mm，保證成像光束全部通過，同時攔截雜散光，如圖5所示。通過Lighttools仿真得到雜光系數(shù)為3.75%，是原來的72%。可見在沒有影響成像光能量的情況下，將像方光闌縮小到合適的尺寸對消雜光是很有幫助的。

圖4 光闌對0.45°光線的遮擋情況Fig.4 Obstruction of 0.45°ray from stop

圖5 像方光闌的孔徑設(shè)計(jì)Fig.5 Stray stop near CCD

3 光機(jī)無熱化設(shè)計(jì)

3.1 無熱化分析與設(shè)計(jì)

由于小視場用于瞄準(zhǔn)目標(biāo)，因此對小視場的像質(zhì)和光軸穩(wěn)定性要求很高。小視場的焦距較長，成像質(zhì)量隨環(huán)境溫度的變化波動較大。因此，對溫度變化帶來的影響需重點(diǎn)分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)。高低溫會引起結(jié)構(gòu)件和透鏡的膨脹和收縮，致使透鏡變形和間距發(fā)生變化。以下對鈦合金（TC4）與鋁作為小視場鏡筒和隔圈的結(jié)構(gòu)材料時小視場電視的成像性能變化進(jìn)行分析，從而選擇合適的鏡筒和隔圈材料以提升高低溫成像性能及光軸穩(wěn)定性。表1為分析時用到的鏡筒、隔圈材料和光學(xué)材料的性能參數(shù)。

表1 材料性能參數(shù)Table 1 Property of material

圖6 小視場光機(jī)有限元分析模型Fig.6 Finite element analysis model of small-field optomechanical system

圖7 小視場光機(jī)系統(tǒng)變形圖Fig.7 Deformation of small-field optomechanical system

圖8 高低溫下TC4和鋁鏡筒的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)比較Fig.8 Comparision of image quality versus temperature of optical system for TC4 and Al tube

通過ISIGHT優(yōu)化平臺集成 MSC、PATRAN、MATLAB、CODE V進(jìn)行有限元和光學(xué)分析，最終輸出高低溫下的MTF和點(diǎn)列斑。圖6和圖7分別為有限元分析模型和光機(jī)系統(tǒng)變形圖。分析結(jié)果如圖8所示。通過仿真分析可知采用鈦合金（TC4）的小視場電視在高低溫環(huán)境下的成像性能明顯優(yōu)于鋁鏡筒材質(zhì)，所以，鏡筒和隔圈采用熱膨脹系數(shù)接近透鏡材料的鈦合金（TC4），實(shí)現(xiàn)光機(jī)材料適配無熱化設(shè)計(jì)。這樣，鏡筒、隔圈與透鏡在高低溫下的接觸應(yīng)力變小，透鏡面型變化小，鏡筒和隔圈的熱脹冷縮比較小，以致透鏡間的間距在高低溫下變化較小，全工作溫度范圍內(nèi)成像清晰。因?yàn)椴挥谜{(diào)焦，電視系統(tǒng)中沒有運(yùn)動部件，所有光學(xué)件全部固定安裝，光機(jī)材料適配無熱化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與驗(yàn)證顯示光軸穩(wěn)定性優(yōu)于0.04mrad。

3.2 像面漂移量分析

在CodeV中，對采用鈦合金（TC4）做鏡筒及隔圈的光機(jī)系統(tǒng)在高低溫下的像面漂移量進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 像面漂移量分析Table 2 Analysis on BFL displace

分析表明，高低溫下的像面漂移量在（－0.03mm～＋0.1mm）范圍內(nèi)，此范圍小于該電視系統(tǒng)的焦深范圍（0.14mm），完全可以滿足高低溫下的成像質(zhì)量要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證小視場電視的設(shè)計(jì)效果，外場試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。對特定目標(biāo)的探測、識別距離均達(dá)到了指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文采用攝遠(yuǎn)型光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的長焦距小型化電視系統(tǒng)，攝遠(yuǎn)比達(dá)到了0.53。根據(jù)無熱化分析結(jié)果，選用鈦合金（TC4）作為鏡筒和隔圈材料與光學(xué)材料相匹配，可保證像面漂移量在焦深范圍內(nèi)，系統(tǒng)無需調(diào)焦便可滿足高低溫（－40℃～＋65℃）等惡劣環(huán)境下的像質(zhì)和光軸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)技術(shù)要求。點(diǎn)列斑4.7μm，小于探測器的像元尺寸6μm，MTF接近衍射極限，光軸穩(wěn)定性達(dá)到了0.04mrad。作用距離試驗(yàn)結(jié)果表明，探測和識別特定目標(biāo)距離均達(dá)到了指標(biāo)要求。

圖9 8.4km目標(biāo)Fig.9 Target at 8.4 km

圖10 12.7km目標(biāo)Fig.10 Target at 12.7 km

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