兩擋變焦光學系統(tǒng)的齊焦設(shè)計

楊利華，李 景，陶 玉，林 晶，孟軍合

（天津津航技術(shù)物理研究所，天津300192）

引言

受光學材料折射率、光學加工以及光學裝校等誤差因素的影響，光學系統(tǒng)實際像面會偏離光學設(shè)計理想像面，稱這種現(xiàn)象為像面漂移。像面漂移是任何光學系統(tǒng)都會產(chǎn)生的現(xiàn)象，且不同光學系統(tǒng)的像面漂移量也不相同。實際應用的光學系統(tǒng)像面是經(jīng)像面漂移后的實際像面而非理想像面，即實際應用通過調(diào)焦消除像面漂移的影響，但一般會殘余一定的離焦量（小于焦深）。

兩擋變焦光學系統(tǒng)屬于共像面復合系統(tǒng)，由寬視場短焦子系統(tǒng)（以下簡稱短焦子系統(tǒng)）和窄視場長焦子系統(tǒng)（以下簡稱長焦子系統(tǒng)）組成。由于上述誤差的存在，短焦子系統(tǒng)和長焦子系統(tǒng)均會發(fā)生像面漂移，但兩子系統(tǒng)漂移量不同（可能產(chǎn)生同向像面漂移或異向像面漂移），導致短焦子系統(tǒng)和長焦子系統(tǒng)產(chǎn)生不齊焦現(xiàn)象，即一子系統(tǒng)成像清晰，另一子系統(tǒng)成像模糊。上述不齊焦現(xiàn)象嚴重影響兩擋變焦光電系統(tǒng)的性能，因此必須在光學系統(tǒng)設(shè)計的同時進行齊焦設(shè)計。

1 指標要求及設(shè)計結(jié)果

1.1 主要指標要求

以某型載荷中波紅外兩擋變焦光學系統(tǒng)（以下簡稱中波兩擋變焦系統(tǒng)）為例，其主要指標包括：

1）工作波段 3.4μm～4.8μm；

2）焦距 46.5mm／186mm；

3）F＃3；

4）視場 4.72°×5.9°／1.18°×1.47°；

5）冷光闌效率 100%；

6）無熱化溫度范圍－40℃～60℃；

7）致冷型探測器像元數(shù)320×256，像元尺寸15μm×15μm。

1.2 結(jié)構(gòu)選型

中波兩擋變焦系統(tǒng)選用致冷型探測器，光學系統(tǒng)由變焦組份和二次成像組份組成，變焦組份可設(shè)計成軸向移動變焦式或垂軸切換變焦式，受空間體積限制（垂軸方向空間受限），選用軸向移動變焦式。

軸向移動變焦式一般由前固定組、變倍組、補償組和后固定組組成。假設(shè)變倍組焦距相同，則正組補償與負組補償比較，正組補償?shù)南到y(tǒng)細而長，負組補償?shù)南到y(tǒng)短而粗，負組補償系統(tǒng)的二級光譜和光闌球差均比正組補償系統(tǒng)大。對于小視場和光闌球差、二級光譜要求較低的光學系統(tǒng)，可選負組補償型式；對于大視場光學系統(tǒng)，或焦距較長的大倍率光學系統(tǒng)，需要使鏡頭通光口徑和二級光譜小，采用正組補償型式較好。本設(shè)計屬于長焦大視場系統(tǒng)，選用正組型式補償，根據(jù)各鏡組對光焦度的貢獻，采用“＋－＋＋”組合形式。

1.3 設(shè)計結(jié)果

中波兩擋變焦系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果如圖1所示。系統(tǒng)由9片透鏡組成，其中變倍組由2片透鏡組成（透鏡3、透鏡4），補償組由2片透鏡組成（透鏡5、透鏡6），通過變倍組和補償組的軸向移動實現(xiàn)變倍補償。系統(tǒng)設(shè)計采用冷光闌，冷光闌效率為100%。按照指標要求在－40℃～＋60℃的溫度范圍內(nèi)開展了無熱化設(shè)計，像質(zhì)良好。

結(jié)構(gòu)件選用鋁合金，滿足－40℃～＋60℃的無熱化要求。對中波兩擋變焦系統(tǒng)進行冷反射分析可知，短焦子系統(tǒng)與長焦子系統(tǒng)的冷反射相當，在－40℃～＋20℃的使用環(huán)境溫度下，兩系統(tǒng)的冷反射均較輕，可以不作校正；在＋30℃～＋60℃的使用環(huán)境溫度下，兩系統(tǒng)的冷反射較重，且環(huán)境溫度越高表現(xiàn)越明顯，經(jīng)計算需要每6℃進行一次非均勻校正。

圖1 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical system layout

對中波兩擋變焦系統(tǒng)進行公差分析，需分配的公差項目有以下幾個方面：

a）光學材料的折射率公差；

b）每個表面的光圈和局部光圈；

c）每片透鏡的厚度公差，空氣間隔公差；

d）每片透鏡的偏心和傾斜公差。

上述公差均影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，其中折射率、光圈、厚度和空氣間隔公差對光學系統(tǒng)像面位置影響較大，是產(chǎn)生像面漂移的主要誤差源。公差分析結(jié)果表明，本系統(tǒng)像面漂移量在±0.2mm量級。

2 齊焦設(shè)計

2.1 齊焦補償原理

分配給光學系統(tǒng)的公差影響著光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使像面發(fā)生漂移，雖然通過探測器調(diào)焦可以抵消一部分，但由于短焦子系統(tǒng)與長焦子系統(tǒng)的像面漂移量不同，兩系統(tǒng)的調(diào)焦量不等，產(chǎn)生不齊焦現(xiàn)象。

圖2 變焦光學系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of zoom optical system

圖2 為變焦光學系統(tǒng)示意圖，圖3為有公差影響的變焦光學系統(tǒng)示意圖，其中實線和虛線分別代表短焦子系統(tǒng)和長焦子系統(tǒng)的光路。圖3中，由于公差的影響，短焦子系統(tǒng)與長焦子系統(tǒng)的實際像面均相對理想像面發(fā)生了漂移，且兩像面位置不再重合，產(chǎn)生了Δl的偏移量。

圖3 公差影響的變焦光學系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of influences of tolerances in zoom optical system

通過調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)中的變倍組或補償組可以改變兩子系統(tǒng)像面偏移量Δl的大小，調(diào)焦方式可選擇同時調(diào)變倍組和補償組、單調(diào)變倍組、單調(diào)補償組3種方式，如圖4～6所示。

2.2 方案設(shè)計

中波兩擋變焦系統(tǒng)齊焦設(shè)計時，可先固定一子系統(tǒng)，另一子系統(tǒng)通過變倍組或補償組或二者組合的小量調(diào)整（補償量）來解決不齊焦問題。中波兩擋變焦系統(tǒng)齊焦設(shè)計有兩種方案：定長焦調(diào)短焦和定短焦調(diào)長焦。

根據(jù)工程經(jīng)驗，光學系統(tǒng)像面漂移量一般在±0.2mm量級，齊焦設(shè)計時可通過在光學設(shè)計軟件中建立多重結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

2.2.1 定短焦調(diào)長焦（簡稱方案A）

方案A補償方式有3種方式：調(diào)變倍組與補償組（簡稱方案A1）、調(diào)變倍組（簡稱方案A2）和調(diào)補償組（簡稱方案A3）。

設(shè)短焦子系統(tǒng)在理想焦面，長焦子系統(tǒng)像面漂移量（δA）分別取±0.1mm 和±0.2mm，則分別采用方案A1、A2和A3時，各組補償量（ΔA）與長焦焦距（fA）變化情況見表1所示。

圖5 調(diào)節(jié)變倍組光學系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of adjusting zoom set

圖6 調(diào)節(jié)補償組光學系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of adjusting compensating set

表1 方案A補償量與長焦焦距變化情況Table 1 A compensation scheme with long focal length changes

由表1可得出如下結(jié)論：

1）方案A1的變倍組補償量在－0.1mm～0.1mm之間，約為像面漂移量的0.5倍，方向相反；補償組補償量在－0.3mm～0.3mm之間，約為像面漂移量的1.5倍，方向相反；長焦子系統(tǒng)焦距不變。

2）方案A2的變倍組補償量在－0.08mm～0.08mm之間，約為像面漂移量的0.4倍，方向相反；長焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為1.08%。

3）方案A3的補償組補償量在－0.27mm～0.27mm之間，約為像面漂移量的1.3倍，方向相反；長焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為0.73%。

2.2.2 定長焦調(diào)短焦（簡稱方案B）

方案B補償方式也有3種方式：調(diào)變倍組與補償組（簡稱方案B1）、調(diào)變倍組（簡稱方案B2）和調(diào)補償組（簡稱方案B3）。

設(shè)長焦子系統(tǒng)在理想焦面，短焦子系統(tǒng)像面漂移量（δB）分別為±0.1mm和±0.2mm，則分別采用方案B1、B2和B3時，各組補償量（ΔB）與短焦焦距（fB）變化情況見表2所示。

表2 方案B補償量與短焦焦距變化情況Table 2 B compensation scheme with short focal length changes

由表2得出如下結(jié)論：

1）方案B1變倍組的補償量在－0.27mm～0.27mm之間，約為像面漂移量的1.4倍，方向相同；補償組的補償量在－0.5mm～0.5mm之間，約為像面漂移量的2.4倍，方向相反；短焦子系統(tǒng)焦距不變。

2）方案B2變焦組的補償量在－0.35mm～0.35mm之間，約為像面漂移量的1.7倍，方向相同；短焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為2.64%。

3）方案B3補償組的補償量在－0.5mm～0.5mm之間，約為像面漂移量的2.5倍，方向相反；短焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為0.58%。

2.3 方案選擇

齊焦設(shè)計方案的選擇可遵循以下原則：

1）調(diào)整組遵循一定的規(guī)律；

2）調(diào)整組越少越好；

3）調(diào)整組的補償量越大越好（精度要求能低一些）；

4）焦距變化量越小越好。

綜合以上分析可以看出，齊焦設(shè)計方案都有一定的規(guī)律性，補償量與像面漂移量之間都有一個近似的倍率；同時調(diào)變倍組和補償組時可以使焦距變化量為零，單調(diào)變倍組或補償組時焦距都有所變化。定長焦調(diào)短焦方式的焦距變化量小，可優(yōu)選方案B；從調(diào)焦組的個數(shù)方面考慮，可選擇方案B2和B3；從調(diào)焦量的精度和焦距的變化量方面考慮，方案B3優(yōu)于方案B2。因此，中波兩擋變焦系統(tǒng)齊焦設(shè)計最終選擇方案B3，即定長焦調(diào)短焦、單調(diào)補償組的方式。

3 結(jié)論

以某型載荷中波紅外兩擋變焦光學系統(tǒng)為例，介紹了共像面復合系統(tǒng)不齊焦現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和齊焦設(shè)計原則，探討了定短焦調(diào)長焦、定長焦調(diào)短焦兩種齊焦設(shè)計方案，其中每種方案又分別嘗試了同時調(diào)變倍組和補償組、單調(diào)變倍組、單調(diào)補償組3種調(diào)焦方式，總結(jié)了齊焦設(shè)計方案選擇的原則，最終確定定長焦調(diào)短焦、單調(diào)補償組的齊焦設(shè)計方案最優(yōu)。

兩擋變焦光學系統(tǒng)的齊焦設(shè)計方法不僅適用于共像面復合系統(tǒng)，對其他分像面復合系統(tǒng)的齊焦設(shè)計也有一定的參考意義。

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