陳秀萍，孫 婷，高 婧，羅傳偉，李 元，何玉蘭，楊華梅，李潔瓊

（西安應用光學研究所，陜西 西安710065）

引言

為適應軍事需求，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，光學系統(tǒng)的小型化輕量化設計已有多種手段［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)結構；采用高折射率材料，也有利于簡化系統(tǒng)結構；采用特殊結構如攝遠型結構或折反射式結構，可壓縮軸向長度。折反射式結構由于裝調(diào)難度大，易受環(huán)境的影響等使之應用受到限制。日本佳能的長焦距（800mm）定焦鏡頭采用攝遠型結構壓縮總長（461mm），攝遠比為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，采用攝遠型結構，使攝遠比達到了0.53，采用高折射率低色散的負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)進行了消雜光及光機無熱化設計，通過合理地設置光闌減少了系統(tǒng)的雜散光，選擇合適的結構材料與光學材料相匹配，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 光學系統(tǒng)設計

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。本設計采用正負組分離且正組在前的攝遠型折射式光學結構，攝遠比為0.53，系統(tǒng)前組承擔較大的光焦度，其結構較后組復雜。由于相對口徑較大，前組采用膠合－正單－膠合的3片透鏡，不僅可以承擔較大的相對口徑，而且采用高折射率低色散的負透鏡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，有利于不對稱結構中畸變的校正。系統(tǒng)設計結果如圖1所示。點列斑和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 光學系統(tǒng)結構圖Fig.1 Optical system structure

圖2 系統(tǒng)的點列斑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計

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行分析并采取相應措施消除雜散光。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)壁的反射率來達到消雜光目的。2）采用消雜光光闌。當進入鏡筒內(nèi)部0.45°的光線能夠順利到達像面而不被遮攔，則認為系統(tǒng)的成像光線能夠完全到達像面，同時，到達像面的雜散光應該最少，以此為依據(jù)設計光闌的通光口徑。由于越靠近像面，光闌對雜光的消除效果越明顯，因此可以先設計離像面位置最近的光闌。如圖4所示，當0.45°的光線進入鏡筒時，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 像方光闌的孔徑設計Fig.5 Stray stop near CCD

3 光機無熱化設計

3.1 無熱化分析與設計

由于小視場用于瞄準目標，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分析并優(yōu)化設計。高低溫會引起結構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構材料時小視場電視的成像性能變化進行分析，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進行有限元和光學分析，最終輸出高低溫下的MTF和點列斑。圖6和圖7分別為有限元分析模型和光機系統(tǒng)變形圖。分析結果如圖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），實現(xiàn)光機材料適配無熱化設計。這樣，鏡筒、隔圈與透鏡在高低溫下的接觸應力變小，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。因為不用調(diào)焦，電視系統(tǒng)中沒有運動部件，所有光學件全部固定安裝，光機材料適配無熱化設計，設計與驗證顯示光軸穩(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系統(tǒng)在高低溫下的像面漂移量進行分析，結果如表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 試驗結果

為了驗證小視場電視的設計效果，外場試驗結果如圖9和圖10所示。對特定目標的探測、識別距離均達到了指標要求。

5 結論

本文采用攝遠型光學結構設計的長焦距小型化電視系統(tǒng)，攝遠比達到了0.53。根據(jù)無熱化分析結果，選用鈦合金（TC4）作為鏡筒和隔圈材料與光學材料相匹配，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)定性設計技術要求。點列斑4.7μm，小于探測器的像元尺寸6μm，MTF接近衍射極限，光軸穩(wěn)定性達到了0.04mrad。作用距離試驗結果表明，探測和識別特定目標距離均達到了指標要求。

圖9 8.4km目標Fig.9 Target at 8.4 km

圖10 12.7km目標Fig.10 Target at 12.7 km

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