采用塑料光學(xué)元件的微光夜視物鏡設(shè)計(jì)

張良，潘曉東

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽471023)

0 引言

微光夜視是一種利用光增強(qiáng)技術(shù)的光電成像系統(tǒng)。它利用夜間月光、星光、大氣輝光等自然微光工作，工作隱蔽、可靠，可以大大改善人眼在微光下的視覺性能，在軍事上可以用來觀察敵方的夜間行動(dòng)、發(fā)現(xiàn)隱蔽目標(biāo)以及飛機(jī)的夜視導(dǎo)航，是執(zhí)行夜間作戰(zhàn)任務(wù)的必備裝備之一，在軍事上得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

由于微光夜視系統(tǒng)是一種被動(dòng)探測系統(tǒng)，隱蔽性好，在國內(nèi)外各兵種都有裝備。為了便于頭部佩戴，通常對微光夜視鏡的尺寸、質(zhì)量有著嚴(yán)格的規(guī)定［1-2］，采用常規(guī)的光學(xué)玻璃材料和金屬材料，通常難以滿足系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)要求。塑料光學(xué)元件是一種新型光學(xué)元件，具有質(zhì)量輕、較好的光學(xué)性能、易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)［3］，可以用來替代光學(xué)玻璃材料。但是塑料光學(xué)元件有著明顯的缺點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)比玻璃材料大出一個(gè)數(shù)量級，光學(xué)塑料的折射率溫度系數(shù)比玻璃要大6 ～50 倍，因此，采用塑料元件的光學(xué)系統(tǒng)其高低溫光學(xué)性能比常溫光學(xué)性能有著明顯的下降，必須考慮無熱化措施［4-5］。

本文設(shè)計(jì)了一種微光夜視物鏡，為減輕物鏡質(zhì)量，物鏡大部采用塑料元件設(shè)計(jì)。重新優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將光學(xué)塑料元件和光學(xué)玻璃元件組合實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)無熱化，以保證該系統(tǒng)在-40 ℃～60 ℃全溫度范圍的光學(xué)性能。

1 光學(xué)無熱化設(shè)計(jì)原理

光學(xué)被動(dòng)溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是利用不同透射材料的溫度特性(線膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù))，在滿足系統(tǒng)成像質(zhì)量要求的同時(shí)，適當(dāng)選配材料并合理分配光焦度，使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的像面離焦與儀器殼體的熱脹冷縮一致。如圖1，假設(shè)系統(tǒng)由j 個(gè)位于空氣中(常溫下na≈1)的薄透鏡密接組成，每個(gè)薄透鏡的光焦度為φi(i=1，2，…，j)，全系統(tǒng)的光焦度為φ，當(dāng)物面位于無窮遠(yuǎn)時(shí)，滿足以下3 個(gè)條件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光學(xué)自動(dòng)補(bǔ)償［6-8］:

式中:hi是主光線在各透鏡上的高度;是各透鏡光焦度隨溫度的變化，即光熱膨脹系數(shù);vi為各透鏡的阿貝常數(shù);αg是鏡筒材料的線膨脹系數(shù)。

圖1 光學(xué)無熱化原理圖Fig.1 Schematic diagram of optical athermalization

(1)式為構(gòu)成系統(tǒng)各單透鏡的光焦度關(guān)系，(2)式為消軸向色差條件，(3)式為補(bǔ)償像面離焦需滿足的條件，稱為熱補(bǔ)償條件。一般情況下，滿足(1)式～(3)式的系統(tǒng)只能對某一種鏡筒材料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熱補(bǔ)償，而且由于鏡筒材料和光學(xué)透射材料溫度特性的非線性，也只能在某一溫度段內(nèi)完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熱補(bǔ)償。

2 常用光學(xué)塑料

常用的光學(xué)塑料有:聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸脂(PC)、苯乙烯丙烯腈(SAW)、環(huán)烯烴共聚物(COC)等。與光學(xué)玻璃材料相比，光學(xué)塑料具有制造成本低、質(zhì)量輕、可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜面型、易裝配等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)塑料的缺點(diǎn)是光學(xué)塑料品種少，折射率的選擇受到限制;光學(xué)塑料的熱膨脹系數(shù)比玻璃大出一個(gè)數(shù)量級，折射率溫度系數(shù)比玻璃要大6 ～50 倍，因此，塑料光學(xué)元件對溫度和濕度等環(huán)境的變化更為靈敏;一般來講塑料光學(xué)零件的最高連續(xù)工作溫度不得高于80 ℃～120 ℃.常用光學(xué)塑料性能如表1所示。

表1 常用光學(xué)塑料性能Tab.1 Performances of optical plastic materials

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

微光夜視物鏡光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，分別采用全光學(xué)玻璃材料和全光學(xué)塑料材料實(shí)現(xiàn)微光夜視光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比分析、評價(jià)。在全光學(xué)玻璃材料設(shè)計(jì)中，從Code V 軟件鏡頭庫中選取合適結(jié)構(gòu)作為鏡頭初始結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和像差平衡，使其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

由于光學(xué)塑料的折射率比較低，差別也不大。假如光學(xué)系統(tǒng)全部采用光學(xué)塑料零件的話，系統(tǒng)的色差能得到一定的校正，但要同時(shí)校正場曲就很困難。因此，在全光學(xué)塑料材料設(shè)計(jì)中，需引入非球面參與像差校正，并且使塑料光學(xué)零件的中心厚度與邊緣厚度要盡可能接近，以減小塑料收縮引起的變形。最終的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 光路追跡圖Fig.1 Ray trace

從圖2中可以看出，采用全光學(xué)玻璃材料和全光學(xué)塑料材料設(shè)計(jì)的微光夜視物鏡的MTF 均可以滿足常溫指標(biāo)要求。

3.3 溫度分析

由于光學(xué)塑料材料的折射率溫度系數(shù)比光學(xué)玻璃材料高一個(gè)數(shù)量級，因此，對于塑料光學(xué)系統(tǒng)因溫度變化造成的曲率、厚度等一些參數(shù)的變化對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響比普通玻璃材料光學(xué)系統(tǒng)要嚴(yán)重得多，溫度變化導(dǎo)致的焦移見(4)式。

式中:Δf為溫度變化引起的焦移;Ti為光學(xué)材料熱常數(shù)，為第i 個(gè)透鏡的折射率，dNi/dt 為第i 個(gè)透鏡的折射率溫度系數(shù)，αLi為第i 個(gè)透鏡材料線膨脹系數(shù);f 為光學(xué)系統(tǒng)焦距;fi為第i 個(gè)透鏡的焦距;αH為鏡筒線膨脹系數(shù)。

溫度變化將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的焦距發(fā)生變化，像面隨溫度漂移非常嚴(yán)重，CCD 的焦平面與光學(xué)系統(tǒng)的焦平面不再重合，光學(xué)系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降。對全塑料光學(xué)系統(tǒng)在-40 ℃、60 ℃下的光學(xué)性能進(jìn)行溫度分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)MTF 評價(jià)Fig.2 MTF contrast of different optical systems

圖3反映了全塑料光學(xué)系統(tǒng)在高低溫環(huán)境下，MTF 急劇降低，像質(zhì)下降嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足使用需求。因此，必須對全塑料光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，改善其在高低溫環(huán)境下的光學(xué)性能。

3.4 混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了減小環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)焦距產(chǎn)生的影響，可以采用光學(xué)塑料非球面零件和光學(xué)玻璃球面零件組成的混合系統(tǒng)。此時(shí)，光學(xué)塑料非球面一般用來校正像差，而系統(tǒng)的光焦度主要由玻璃球面零件來承擔(dān)。根據(jù)光學(xué)無熱化原理，對全塑料微光夜視物鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到光學(xué)系統(tǒng)的減輕設(shè)計(jì)，應(yīng)采用較少玻璃透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在光學(xué)計(jì)算程序中，通過設(shè)置多重結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行不同溫度條件下的像差平衡和溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的塑料-玻璃混合光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示，玻璃材料采用NLAK33A 和FK5.

圖3 塑料光學(xué)系統(tǒng)MTF 溫度分析Fig.3 MTFs at different temperatures

圖4 混合光學(xué)系統(tǒng)光路追跡圖Fig.4 Ray trace of hybrid optical system

從圖5可以看出，混合光學(xué)系統(tǒng)在高低溫環(huán)境條件下，MTF 均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，獲得了優(yōu)良像質(zhì)。該混合光學(xué)系統(tǒng)中，僅使用了一片玻璃透鏡，其余均為光學(xué)塑料透鏡，可在保證系統(tǒng)像質(zhì)的同時(shí)有效地降低光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量。

3.5 系統(tǒng)質(zhì)量分析

全玻璃材料光學(xué)系統(tǒng)、全塑料材料光學(xué)系統(tǒng)以及混合光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量對比見表3所示。

圖5 混合光學(xué)系統(tǒng)MTF 溫度分析Fig.5 Temperature analysis of hybrid optical system

表3 系統(tǒng)質(zhì)量對比Tab.4 Weight comparison

從表3可知，采用全玻璃材料設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)是3 種設(shè)計(jì)中質(zhì)量最大的。采用全塑料光學(xué)元件設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量約為原質(zhì)量的1/3，是3 種設(shè)計(jì)中質(zhì)量最輕的，但其受高低溫環(huán)境影響嚴(yán)重，使用受到限制。采用玻璃-塑料混合設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量比全塑料光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量略有增加，但其優(yōu)異的高低溫性能使其應(yīng)用更為廣泛。

4 結(jié)論

通過對微光夜視系統(tǒng)的實(shí)際使用需求分析，依據(jù)光學(xué)塑料材料的物理特性和光學(xué)被動(dòng)無熱化的設(shè)計(jì)方法，提出了玻璃-塑料材料進(jìn)行混合光學(xué)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，成功地設(shè)計(jì)了玻璃-塑料混和微光夜視物鏡，獲得了良好成像質(zhì)量。該系統(tǒng)和全玻璃材料光學(xué)系統(tǒng)、全塑料材料光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了全面對比和綜合評價(jià)。結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有高低溫成像優(yōu)、質(zhì)量輕、易裝配、易大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn);在單兵夜視技術(shù)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

References)

［1］ 尚華，劉鈞，高明，等.頭盔式單目微光夜視儀中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28(3):292 -296.SHANG Hua，LIU Jun，GAO Ming，et al.Lens design in helmetmounted LLL night-vision system［J］.Journal of Applied Optics，2007，28(3):292 -296.(in Chinese)

［2］ 吳海清，孫強(qiáng)，王健，等.眼鏡式虛擬顯示折射/衍射塑料光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光電工程，2009，36(1):98 -102.WU Hai-qing，SUN Qiang，WANG Jian，et al.Design of refractive/diffractive plastic optical system in glasses virtual displays［J］.Opto-Electronic Engineering，2009，36(1):98 -102.(in Chinese)

［3］ 楊勝杰.含高次塑料非球面的頭盔微光夜視物鏡設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2009，16(1):80 -83.YANG Sheng-jie.Design of object lens for helmet-mounted night vision goggles with high-order plastic aspherical surfaces［J］.Electronics Optics ＆ Control，2009，16(1):80 -83.(in Chinese)

［4］ 宋波，劉鈞，高明.頭盔式微光夜視儀中折/衍混合物鏡的設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2008，15(2):78 -81.SONG Bo，LIU Jun，GAO Ming.Design of refractive/diffractive objective lens for head-mounted night vision system［J］.Electronics Optics ＆ Control，2008，15(2):78 -81.(in Chinese)

［5］ 王成彬，楊洪波，孫強(qiáng)，等.頭盔3D 顯示中塑料自由曲面棱鏡熱變形研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009，26(7):340 -342.WANG Cheng-bin，YANG Hong-bo，SUN Qiang，et al.A study of thermal deformation of plastic free form surface prism in head mounted 3D display［J］.Computer Simulation，2009，26(7):340 -342.(in Chinese)

［6］ 喬揚(yáng)，徐熙平，辜義文，等.消熱差的紅外目標(biāo)模擬器投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.兵工學(xué)報(bào)，2013，34(4):431 -436.QIAO Yang，XU Xi-ping，GU Yi-wen，et al.Design of an athermalized projection optical system for infrared target simulator［J］.Acta Armamentarii，2013，34(4):431 -436.(in Chinese)

［7］ 錢義先，賈遠(yuǎn)林，梁偉，等.航空CCD 相機(jī)可見光光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2009，38(9);2279 -2282.QIAN Yi-xian，JIA Yuan-lin，LIANG Wei，et al..Athermal design for visible optical system on aerial CCD camera［J］.Acta Photonica Sinica，2009，38(9):2279 -2282.(in Chinese)

［8］ 王新學(xué)，焦明印.紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)方法的研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2009，30(1):129 -134.WANG Xin-xue，JIAO Ming-yin.Athermalization design for infrared optical systems［J］.Journal of Applied Optics，2009，30(1):129 -134.(in Chinese)