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

兩擋變焦光學(xué)系統(tǒng)屬于共像面復(fù)合系統(tǒng)，由寬視場(chǎng)短焦子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱短焦子系統(tǒng)）和窄視場(chǎng)長(zhǎng)焦子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)焦子系統(tǒng)）組成。由于上述誤差的存在，短焦子系統(tǒng)和長(zhǎng)焦子系統(tǒng)均會(huì)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(dǎo)致短焦子系統(tǒng)和長(zhǎng)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(yán)重影響兩擋變焦光電系統(tǒng)的性能，因此必須在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行齊焦設(shè)計(jì)。

1 指標(biāo)要求及設(shè)計(jì)結(jié)果

1.1 主要指標(biāo)要求

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

1）工作波段 3.4μm～4.8μm；

2）焦距 46.5mm／186mm；

3）F＃3；

4）視場(chǎng) 4.72°×5.9°／1.18°×1.47°；

5）冷光闌效率 100%；

6）無(wú)熱化溫度范圍－40℃～60℃；

7）致冷型探測(cè)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(cè)器，光學(xué)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(jì)成軸向移動(dòng)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(dòng)變焦式。

軸向移動(dòng)變焦式一般由前固定組、變倍組、補(bǔ)償組和后固定組組成。假設(shè)變倍組焦距相同，則正組補(bǔ)償與負(fù)組補(bǔ)償比較，正組補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)細(xì)而長(zhǎng)，負(fù)組補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)短而粗，負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)的二級(jí)光譜和光闌球差均比正組補(bǔ)償系統(tǒng)大。對(duì)于小視場(chǎng)和光闌球差、二級(jí)光譜要求較低的光學(xué)系統(tǒng)，可選負(fù)組補(bǔ)償型式；對(duì)于大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，或焦距較長(zhǎng)的大倍率光學(xué)系統(tǒng)，需要使鏡頭通光口徑和二級(jí)光譜小，采用正組補(bǔ)償型式較好。本設(shè)計(jì)屬于長(zhǎng)焦大視場(chǎng)系統(tǒng)，選用正組型式補(bǔ)償，根據(jù)各鏡組對(duì)光焦度的貢獻(xiàn)，采用“＋－＋＋”組合形式。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

中波兩擋變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bǔ)償組由2片透鏡組成（透鏡5、透鏡6），通過變倍組和補(bǔ)償組的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變倍補(bǔ)償。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用冷光闌，冷光闌效率為100%。按照指標(biāo)要求在－40℃～＋60℃的溫度范圍內(nèi)開展了無(wú)熱化設(shè)計(jì)，像質(zhì)良好。

結(jié)構(gòu)件選用鋁合金，滿足－40℃～＋60℃的無(wú)熱化要求。對(duì)中波兩擋變焦系統(tǒng)進(jìn)行冷反射分析可知，短焦子系統(tǒng)與長(zhǎng)焦子系統(tǒng)的冷反射相當(dāng)，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(jì)算需要每6℃進(jìn)行一次非均勻校正。

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

對(duì)中波兩擋變焦系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，需分配的公差項(xiàng)目有以下幾個(gè)方面：

a）光學(xué)材料的折射率公差；

b）每個(gè)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(xué)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(duì)光學(xué)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(jí)。

2 齊焦設(shè)計(jì)

2.1 齊焦補(bǔ)償原理

分配給光學(xué)系統(tǒng)的公差影響著光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使像面發(fā)生漂移，雖然通過探測(cè)器調(diào)焦可以抵消一部分，但由于短焦子系統(tǒng)與長(zhǎng)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(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of zoom optical system

圖2 為變焦光學(xué)系統(tǒng)示意圖，圖3為有公差影響的變焦光學(xué)系統(tǒng)示意圖，其中實(shí)線和虛線分別代表短焦子系統(tǒng)和長(zhǎng)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(zhǎng)焦子系統(tǒng)的實(shí)際像面均相對(duì)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(xué)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(xué)系統(tǒng)中的變倍組或補(bǔ)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(shí)調(diào)變倍組和補(bǔ)償組、單調(diào)變倍組、單調(diào)補(bǔ)償組3種方式，如圖4～6所示。

2.2 方案設(shè)計(jì)

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

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，光學(xué)系統(tǒng)像面漂移量一般在±0.2mm量級(jí)，齊焦設(shè)計(jì)時(shí)可通過在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立多重結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 定短焦調(diào)長(zhǎng)焦（簡(jiǎn)稱方案A）

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

設(shè)短焦子系統(tǒng)在理想焦面，長(zhǎng)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(shí)，各組補(bǔ)償量（ΔA）與長(zhǎng)焦焦距（fA）變化情況見表1所示。

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

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

表1 方案A補(bǔ)償量與長(zhǎng)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(bǔ)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(bǔ)償組補(bǔ)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(zhǎng)焦子系統(tǒng)焦距不變。

2）方案A2的變倍組補(bǔ)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(zhǎng)焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為1.08%。

3）方案A3的補(bǔ)償組補(bǔ)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(zhǎng)焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為0.73%。

2.2.2 定長(zhǎng)焦調(diào)短焦（簡(jiǎn)稱方案B）

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

設(shè)長(zhǎng)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(shí)，各組補(bǔ)償量（ΔB）與短焦焦距（fB）變化情況見表2所示。

表2 方案B補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償組的補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償組的補(bǔ)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(jì)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(bǔ)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(jì)方案都有一定的規(guī)律性，補(bǔ)償量與像面漂移量之間都有一個(gè)近似的倍率；同時(shí)調(diào)變倍組和補(bǔ)償組時(shí)可以使焦距變化量為零，單調(diào)變倍組或補(bǔ)償組時(shí)焦距都有所變化。定長(zhǎng)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(gè)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(jì)最終選擇方案B3，即定長(zhǎng)焦調(diào)短焦、單調(diào)補(bǔ)償組的方式。

3 結(jié)論

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

兩擋變焦光學(xué)系統(tǒng)的齊焦設(shè)計(jì)方法不僅適用于共像面復(fù)合系統(tǒng)，對(duì)其他分像面復(fù)合系統(tǒng)的齊焦設(shè)計(jì)也有一定的參考意義。

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