潛望鏡照相窗口光學(xué)系統(tǒng)二級(jí)光譜校正分析

赫玉琢 張 屹

（1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.中南裝備有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443005）

大多數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)中，二級(jí)光譜對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說不會(huì)很大，不至于顯著影響成像質(zhì)量.但是，對(duì)于像潛望鏡這種轉(zhuǎn)象系統(tǒng)很長，總長達(dá)到10m以上的光學(xué)系統(tǒng)來說，其二級(jí)光譜就會(huì)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(yán)重影響了成像質(zhì)量.為得到高質(zhì)量的照片，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，二級(jí)光譜的校正是必須要解決的問題.國內(nèi)外對(duì)潛望鏡二級(jí)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(gè)或數(shù)個(gè)組件；3）在光學(xué)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn).但濾光鏡的缺點(diǎn)是濾掉了一部分光譜范圍，并使得透過率進(jìn)一步降低.

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

1 二級(jí)光譜理論概述

實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)有很大的差異，即物空間的一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)后，不再會(huì)聚于像空間的一點(diǎn)，而是一個(gè)彌散斑，彌散斑的大小與系統(tǒng)的像差有關(guān)［3］.單色光成像會(huì)產(chǎn)生性質(zhì)不同的5種像差，軸上點(diǎn)單色像差只有球差一種，軸外點(diǎn)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(jí)光譜是高級(jí)色差的一種.產(chǎn)生高級(jí)色差的原因主要有兩個(gè)，一是光學(xué)系統(tǒng)的孔徑或視場加大時(shí)會(huì)引進(jìn)高級(jí)色差，二是由光學(xué)材料的色散和部分色散引起.

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

圖1 色差曲線

雙膠合透鏡的二級(jí)光譜可用下式表示

2 光學(xué)玻璃材料選取

2.1 光學(xué)材料的特性

光學(xué)工程中所使用的材料涉及的范圍很廣，各種光學(xué)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(xué)材料的范疇［5］.用作鏡頭的光學(xué)材料，主要性能是折射率和透過率，兩個(gè)量都隨波長變化，是波長的函數(shù).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(xué)材料還有牢固性、化學(xué)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(jí)光譜的光學(xué)材料，阿貝數(shù)（色散系數(shù)）和相對(duì)色散系數(shù)是最重要的性能指標(biāo).

2.2 校正二級(jí)光譜玻璃的選取

在普通光學(xué)玻璃中，相對(duì)色散系數(shù)與阿貝數(shù)的關(guān)系幾乎是一條直線［7］，對(duì)于校正二級(jí)光譜作用不大，因此，要在特殊光學(xué)玻璃或晶體中選取一種.

在特殊光學(xué)玻璃及晶體中，常見用于成像光學(xué)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(nèi)具有良好的透過率，但是其折射率很低，對(duì)于校正光學(xué)系統(tǒng)中其余像差貢獻(xiàn)不大.其中氟化鈣也叫螢石，是傳統(tǒng)消除二級(jí)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(lán)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(shí)，折射率為2.368，阿貝數(shù)15.305.將其代入潛望鏡照相窗口的光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析其成像質(zhì)量.

3 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 ZEMAX基本參數(shù)設(shè)置

在ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，輸入潛望鏡照相窗口的實(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)是為了校正潛艇潛望鏡照相窗口光學(xué)系統(tǒng)的二級(jí)光譜，對(duì)于潛望鏡本身的結(jié)構(gòu)和玻璃不做改變，只在其照相窗口的光學(xué)系統(tǒng)后面，加裝4塊玻璃，采用復(fù)消色差的方法，校正二級(jí)光譜，改變成像質(zhì)量.由于潛艇潛望鏡鏡體很長，總長超過10m，其間光學(xué)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(shè)為變量，玻璃厚度和空氣間隔因其結(jié)構(gòu)尺寸的原因，經(jīng)計(jì)算后確定其值不做改動(dòng)，玻璃材料設(shè)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(shè)計(jì)流程圖

利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行像差校正，要在其自動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行人工調(diào)整，改變優(yōu)化的變量和多項(xiàng)像差指標(biāo)的權(quán)重.如設(shè)計(jì)過程中，出現(xiàn)球差指標(biāo)過大，可以把球差設(shè)定為優(yōu)化參數(shù)，設(shè)定一個(gè)具體值（要比原光學(xué)系統(tǒng)的球差數(shù)值?。瑑?yōu)化的權(quán)重可以設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸的可裝配性，例如最后一個(gè)玻璃面不能離像面太近，否則沒有距離裝配.

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

本設(shè)計(jì)是用CCD接收像面，而CCD有保護(hù)玻璃，故設(shè)定最后玻璃曲面到像面距離不小于10mm，在設(shè)計(jì)的最后階段為改善像質(zhì)可略微放松最后空氣間隔的權(quán)重?cái)?shù).下面是優(yōu)化設(shè)計(jì)部分參數(shù)和點(diǎn)列圖，如圖4～5所示.

圖4 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 點(diǎn)列圖

上述結(jié)果表明，采用紅外材料多光譜CVD硫化鋅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其成像質(zhì)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(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，經(jīng)常用于制造整流罩和紅外光學(xué)系統(tǒng).隨著制備工藝的進(jìn)步，使硫化鋅的透過波長范圍增加到可見光，經(jīng)過在其表面鍍增透膜，讓多光譜CVD硫化鋅應(yīng)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(shù)是任何普通光學(xué)玻璃無法比擬的.事實(shí)證明，多光譜CVD硫化鋅對(duì)于校正白光光學(xué)系統(tǒng)像差具有很好的作用.

4 環(huán)境變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響

4.1 溫度變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響

溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響是多方面的，有對(duì)機(jī)械零件的影響，有對(duì)玻璃性能的影響，甚至對(duì)空氣的折射率也有影響.綜上這些影響，在光學(xué)系統(tǒng)中，最終會(huì)產(chǎn)生一定量的像面移動(dòng).采用多光譜CVD硫化鋅設(shè)計(jì)時(shí)溫度為20℃，現(xiàn)將溫度擴(kuò)大到低溫－30℃至高溫40℃，分析溫度對(duì)系統(tǒng)帶來的影響.

由圖6～7可以看出，溫度在－30℃時(shí)，像質(zhì)變化較大，而溫度在40℃時(shí)，像質(zhì)變化不大.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步分析優(yōu)化，得到其自適應(yīng)溫度區(qū)間為0～40℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)無需進(jìn)行離焦補(bǔ)償，就能滿足像質(zhì)的要求.

圖6 －30℃、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的點(diǎn)列圖

圖7 40℃、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的點(diǎn)列圖

4.2 氣壓變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響

氣壓對(duì)光學(xué)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(jìn)而影響到其成像質(zhì)量.采用多光譜CVD硫化鋅進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，現(xiàn)將其擴(kuò)大至0.8～1.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，分析氣壓對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，像質(zhì)變化較大.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步分析優(yōu)化，得到其自適應(yīng)氣壓區(qū)間為0.9～1.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在這個(gè)氣壓范圍內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)無需進(jìn)行離焦補(bǔ)償，就能滿足像質(zhì)的要求.

圖8 20℃、0.8標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的點(diǎn)列圖

圖9 20℃、1.2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的點(diǎn)列圖

5 結(jié) 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(xué)系統(tǒng)中，得到了較好的成像質(zhì)量.這說明對(duì)于潛望鏡照相窗口二級(jí)光譜的校正，不限于傳統(tǒng)的幾種方法，隨著光學(xué)玻璃制備工藝的進(jìn)步，能校正二級(jí)光譜的新型玻璃將不斷問世，使?jié)撏R二級(jí)光譜的校正有了新的方法，滿足其照相窗口新時(shí)期的使用要求.

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