可見與近紅外波段大視場平行光管物鏡設計研究

崔瑩瑩，文大化，呂超，車英

(1.長春理工大學光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

微光夜視系統是一種能充分利用夜間天光，通過光增強技術，使人眼能夠觀察低照度目標的系統，成為微光夜視儀。微光夜視技術已經成為現在著重發展科學技術，并且首先應用在軍事領域中而且得到發展。目前，微光夜視技術已經在夜間觀察、橋梁架建、瞄準、水下作業等方面得到了非常廣泛的應用。

夜視系統可靠性是衡量其性能優劣的主要指標，因此，微光夜視系統在定型前，必須進行可靠性試驗。為此，要用平行光管檢測法對微光瞄準鏡進行檢驗，即利用平行光管為被試微光瞄準鏡(靠近平行光管物鏡)提供均勻光照度環境，模擬一個微光遠距目標，被試微光瞄準鏡接收后，對目標進行識別。

1 平行光管技術參數確定

平行光管物鏡的主要設計技術參數分別為視場、通光孔徑、焦距、調制傳遞函數(MTF)。

(1)平行光管的物鏡視場

平行光管的物鏡視場依據被試瞄準鏡所需最大視場確定，按需求平行光管的物鏡全視場定為20°。

(2)平行光管物鏡通光口徑

(3)平行光管物鏡焦距

在平行光管物鏡的視場、有效通光口徑均確定情況下，平行光管物鏡焦距長短的選定與傳輸通光量的多少、分辨率板刻線細度、分劃板線視場、像差平衡、漸暈、光照度的不均勻性、調制傳遞函數(MTF)等多項因素有關。在綜合考慮上述各項影響因素的利弊關系，并結合技術要求與物鏡的設計難易程度、加工工藝水平等，最終確定平行光管物鏡的焦距為500mm。

(4)平行光管物鏡的工作譜段：

平行光管物鏡復消色差譜段的選擇應與微光夜視儀像增強器的光譜響應范圍和夜視儀物鏡的消色差光譜相匹配，綜合考慮平行光管物鏡復消色差譜段選為0.486～0.863。

(5)平行光管物鏡的MTF值

2 設計過程

物鏡復消色差譜段在0.486～0.863 m之間，復消色差要求既要消除高斯區域內的二級光譜，同時也要消除高斯區域外的色球差。為了校正二級光譜，采用了具有特殊色散的玻璃TF3與校正二級光譜使用較多的LAK2玻璃進行組合設計。

二級光譜公式：

TF3玻璃和另一種玻璃LAK2配對時，所得二級光譜很小，兼顧系統的二級光譜和高級球差，須使每個單元透鏡的光焦度絕對值盡量小，因此，要求正透鏡的 值盡可能大，負透鏡的 值盡可能小。為降低高級像散，應選擇正透鏡的折射率盡可能高些，負透鏡的折射率盡可能小些，所以，選擇這組玻璃是合理的。

對于像差的校正，可以從以下幾個方面做到：對于焦距的分配，使它對稱變化可以校正位置色差CI，而對于倍率色差Cn，它的校正需要焦距的失對稱。因此，需要對焦距分配的均衡。而對于球差和像散，它們的校正，主要是依靠透鏡半徑彎曲的對稱性，但這對彗差和畸變的校正不利，因為對透鏡彎曲的失對稱變化時對校正彗差和畸變。而對于匹茲伐和的校正，可以通過調整正負透鏡的距離實現。由此可見，系統中的每個透鏡的半徑變化，對像差的校正都是有貢獻和局限的，在設計時，應考慮到各個像差的貢獻，綜合設計。

表1 玻璃參數值Tab.1 Glass parameter values

對于像差和場曲的校正，通過增大前組玻璃和光闌附近玻璃的厚度實現。同時，在系統的前后組之間加入一個反常膠合面，在減小軸外球差的同時，引入正高級像散，這樣就能抵償系統本身的負高級像素，最終改善像散對系統的影響。同時，反常膠合面的加入也可以使成像高度降低，這對軸外球差的校正很有利。優化處理后得到的光學系統結構圖如圖1所示。

3 平行光管物鏡像質評價

通過優化設計后，平行光管物鏡的 MTF曲線圖如圖2所示，在截止頻率為35lp/mm時，全視場的MTF值可以達到55%以上，中心視場的MTF值大于70%，已經接近衍射極限，分辨率滿足設計指標要求。

平行光管物鏡的場曲和畸變也都得到較好的校正，最大畸變小于0.02%，滿足設計指標要求。如圖3所示。

如圖所4示，可以知道，該平常光管物鏡光學系統的軸上球差已經得到了較好的校正，色差在0.707帶附近，也得到較好的校正，同時，二級光譜可以控制在0.05mm以內，對像質影響可以說是比較小的，滿足設計指標的要求。

圖2 調制傳遞函數Fig.2 Modulation transfer function

圖3 場區和畸變Fig.3 Field curvation and distortion

圖4 球差/色差Fig.4 Spherical aberration/color aberration

4 結論

本文針對可見與近紅外波段大視場平行光管物鏡進行了設計，通過ZEMAX軟件，完成了平行光管物鏡優化設計，進行了像差分析，給出了較為完善的設計結果，滿足微光瞄準鏡可靠性試驗設備的檢測要求。本設計能為大視場微光瞄準鏡提供更加合理的光應力，使可靠性試驗考核更為客觀、科學。

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