中長焦透射式日盲紫外光學系統(tǒng)設計

徐苗+梁秀玲

摘要：日盲紫外系統(tǒng)在導彈告警系統(tǒng)中起著重要的作用，利用光學軟件Zemax設計了一款中長焦透射式日盲紫外光學系統(tǒng)。該紫外鏡頭由6片標準球面透鏡構成，適用于240～280 nm的日盲紫外波段。根據材料的透過率和色散性，選取正透鏡材料為CaF2，負透鏡材料為熔石英。系統(tǒng)的焦距為160 mm，F(xiàn)數為3.5，靶面直徑為18 mm，光學總長為154 mm；各視場能量集中度在紫外CCD接收面內均大于85%，光學傳遞函數20 lp/mm處高于0.8，具有成像質量好、結構簡單緊湊的特點。

關鍵詞： 光學設計； 日盲紫外； 紫外告警； 光學系統(tǒng)

中圖分類號： TN 23 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.008

文章編號： 1005-5630（2017）02-0043-05

引 言

在現(xiàn)代化的戰(zhàn)場中，地空、空空導彈對戰(zhàn)機的威脅日趨嚴重，這使得導彈告警系統(tǒng)成為各國重要的研究課題。導彈告警系統(tǒng)通?？煞譃槔走_告警、紅外告警和紫外告警3種方式，同前兩者相比紫外告警具有虛警率低、靈敏度高、隱蔽性強、無需制冷、功耗低和質量輕等優(yōu)點[1-4]。大氣層中的臭氧層對位于太陽光中240～280 nm的紫外波段會產生強烈吸收，形成所謂的日盲紫外區(qū)，紫外告警系統(tǒng)對來襲導彈的探測正是利用大氣的“日盲紫外”特性來實現(xiàn)的。紫外告警系統(tǒng)從技術上可分為以光電倍增管為核心元件的第一代系統(tǒng)和以像增強器為核心探測器的第二代系統(tǒng)[5]。從探測器類型的角度可分為真空探測器件和固體探測器件[6]。

本文針對日盲紫外告警系統(tǒng)的成像系統(tǒng)要求，設計了一款系統(tǒng)焦距為160 mm、F數為3.5的日盲紫外光學系統(tǒng)。

1 光學系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)設計要求

基于用戶要求，該鏡頭的結構參數為：焦距為160 mm，波段范圍為240～280 nm，半像高為9 mm，F(xiàn)數為3.5，接收器紫外CCD的像素尺寸為25 μm×25 μm。要求在CCD接收面范圍內，光能接收大于85%，光學總長控制在155 mm以內，畸變小于3%。

1.2 材料選擇

由于紫外波段穿過普通光學玻璃時透過率很低，因此在紫外光學系統(tǒng)中不能采用普通光學玻璃，而一些光學晶體在日盲紫外波段具有較好的透過性能，所以在工程上大多采用光學晶體。根據材料的機械強度、耐熱性、熱膨脹系數及加工性能等，實際可用的材料僅有氟化鈣、氟化鎂和熔石英3種，由于氟化鎂具有雙折射，所以本文最終選擇了熔石英和氟化鈣2種材料，兩者的性能參數如表1所示。紫外濾光片主要是用來屏蔽日盲紫外以外的波段，而常用的日盲紫外濾光片主要有干涉型、聲光型、組合型和吸收型幾種形式[7]。

1.3 光學系統(tǒng)初始結構的確定

初始結構的確定對實現(xiàn)最終的設計非常重要，如果初始結構選擇不恰當，在后期僅僅依賴于光學設計軟件是無法對結構做出突破性的改變[8]。本文根據設計要求查找文獻得到如圖1所示的初始結構，基本結構參數是：焦距為150 mm，波長范圍為240～280 nm，F(xiàn)數為4，視場角為8°，光學總長為158 mm。

1.4 光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計

初始結構的焦距與本文的要求不同，所以需對初始結構進行焦距縮放使焦距達到160 mm，并在后面的優(yōu)化中通過操作數EFFL來控制系統(tǒng)的焦距。由于選用的紫外材料的色散系數差別不大，而消色差的基本原則是負透鏡選擇阿貝數小的材料，正透鏡選用阿貝數大的材料[9]。根據表1所示的材料特性，負透鏡選熔石英較為合適，正透鏡選氟化鈣較為合適。圖1所示的系統(tǒng)存在著較大的球差和色差，MTF曲線很差。由于后組的第1片透鏡較厚，因而采用分裂透鏡的方法增加1片透鏡，以減小球差[10]。采用Zemax中默認評價函數RMS+Wavefront+Centroid，并合理設置默認評價函數的權重[11]。由于剛開始系統(tǒng)的像差較大，所以總長先放寬到160 mm，并在優(yōu)化過程中用TOTR與OPLT這2個操作數共同控制系統(tǒng)總長，同時合理控制系統(tǒng)的邊界條件，在優(yōu)化過程中反復地對邊界條件進行考察修改。初步優(yōu)化的結果如圖2所示。

在初步優(yōu)化的結果上進一步將光學系統(tǒng)總長縮小到154 mm，再對其進行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中有些軸外光線對像質的影響較大，可設置一些漸暈將對成像質量不利的邊緣光線攔掉，同時要保證邊緣相對照度不能小于70%。在優(yōu)化中還對幾何像差LONA、AXCL、TARY、DIMX進行控制，優(yōu)化后期，使用MTFT、MTFS控制系統(tǒng)軸外的MTF，這對像質的提升有所幫助。

1.5 像質評價

經優(yōu)化后的光學系統(tǒng)結構如圖3所示，圖4～8為該光學系統(tǒng)的各種特性曲線。

由圖3可知光學系統(tǒng)共用了6片透鏡，其中紫外濾光片離石英保護玻璃的距離大于7 mm，符合系統(tǒng)大于4.5 mm的要求，系統(tǒng)結構簡單合理。由圖4可知系統(tǒng)在20 lp/mm處全視場光學傳遞函數都大于0.8。從圖5能量集中度曲線可以看出在紫外CCD接收面內，能量集中度大于90%。從圖6中可見，全視場均方根半徑均小于7.4 μm即小于CCD的最小像元直徑，成像質量良好。從圖7中可見系統(tǒng)的全視場的相對照度大于70%。從圖8中可知系統(tǒng)的場曲校正到0.26 mm以內，畸變小于2%。

根據照相物鏡的波像差小于λ/2時視為像質優(yōu)良的原則，常把波像差小于λ/2～λ作為照相物鏡軸上球差的公差標準[12]。相應的初級球差公差表示如下：

圖9為系統(tǒng)的球差曲線圖，由圖可知，該系統(tǒng)主波長的實際球差最大值為0.262 mm，在邊光初級球差公差要求范圍內，軸向色差為0.1 mm。由此可見，該光學系統(tǒng)各項指標均滿足設計要求，可用于日盲紫外導彈告警系統(tǒng)以及其他紫外光電探測設備。