一款雙高斯成像鏡頭設計

2022-10-02 08:30:46鄭建鋒

科技創新與應用 2022年27期

鄭建鋒

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州 450047）

當今，光學成像技術已經成為應用最廣泛的技術之一，在日常生活中單反相機、手機鏡頭、視頻監控、視頻會議和人臉識別等應用場景隨處可見；在軍事上電視制導、微光夜視、紅外成像及衛星成像偵察等技術成為現代戰爭不可或缺的技術手段。光學鏡頭是決定成像效果好壞的重要因素之一，鏡頭的各種像差會降低成像質量，影響成像清晰度。光學設計是對光學鏡頭的各種像差進行優化，消除像差對成像質量的影響。從最初利用對數表進行手工計算到機械計算器的使用，再到計算機的普及與光學設計軟件的應用，光學設計已經經歷了上百年的發展。雙高斯鏡頭是一種經典的光學成像鏡頭，從其發明之日起，就經歷了不斷的改進，如今這種結構形式已經非常成熟，在很多場合還在使用。本文設計了一種雙高斯鏡頭，該鏡頭在滿足設計要求的情況下，成像清晰、結構緊湊且適用溫度范圍寬。

1 雙高斯鏡頭發展史及結構

1817年，才華橫溢的德國數學家、測量地理學家、天文學家Carl Friedrich Gauβ為了解決哥廷根天文臺觀測望遠鏡的像差問題，構思出使用2片新月形鏡片的組合，1片正透鏡1片負透鏡，這種組合就是高斯結構的起源。1888年，Alvan G.Clark發現用2對高斯結構“背對背”反方向組合后，也可以成為一種成像效果很好的鏡頭，這就是雙高斯結構概念的開始。

1890年，Baush&Lomb公司開始投資研發Alvan G.Clark發現的這種結構的廣角鏡頭，此類鏡頭一直被銷售至1898年，但銷量不好，隨后停產。但后來更多歐洲的光學設計人員開始注意到雙高斯結構并繼續研發，有公司的同類產品一直銷售到1930年。此后相繼有不同的光學設計人員對雙高斯鏡頭持續改進。雙高斯鏡頭結構如圖1所示。

圖1 雙高斯鏡頭結構

2 雙高斯鏡頭優化設計[1-2]

2.1 設計要求

光學像差直接影響成像質量的好壞，光學像差的種類有球差、慧差、像散、場曲、畸變和色差等，鏡頭的優化設計，主要是對這些像差進行優化，使低階像差和高階像差實現完美平衡，將像差對像質的影響降至最低，實現成像清晰[3]。如今，光學設計軟件已經十分普及，本文采用光學設計軟件Zemax對鏡頭進行優化設計。

以下所示為鏡頭的設計要求。

探測器靶面尺寸：7.065 6 mm×7.065 6 mm；

像元尺寸：3.45 μm×3.45 μm；

工作波段：400～700 nm；

焦距：20 mm；

F數：3～4；

光學傳函MTF值（@145 lp/mm）：中心視場大于等于0.4，0.7視場大于等于0.3；

相對畸變：全視場小于等于1.5%；

透過率：不低于80%；

工作溫度：-40～+65℃。

2.2 鏡頭初始結構選擇

雙高斯鏡頭可實現較大的相對孔徑，典型的雙高斯物鏡，相對孔徑為1/2～1/1.7，視場角為40°～50°[4]。根據對設計要求的分析，該鏡頭選擇如圖2所示的雙高斯結構作為初始結構進行優化設計。

圖2 雙高斯鏡頭初始結構

2.3 鏡頭優化設計結果[5-6]

采用Zemax光學設計軟件對鏡頭進行優化設計后的光路圖如圖3所示，其中，左側第一片鏡片為保護窗口。

圖3 優化后的鏡頭結構

該鏡頭光路順暢，沒有“轉角生硬”的光線，各個視場光線“走勢”非常自然協調；且鏡片結構合理，沒有過凸或過凹的表面，鏡片邊緣厚度、中心厚度余量充足；鏡片口徑從左到右依次減小，這樣做的好處是鏡片安裝時可以從鏡筒一側安裝，這樣鏡筒中的“臺階”內徑也是依次減小，鏡筒的加工可一次完成，不需倒方向重新“走刀”，因此可避免出現在鏡筒加工過程中對工件倒方向重新裝夾定位帶來的加工誤差，大大提高了鏡筒加工精度。

該鏡頭的工作溫度在-40～+65℃，范圍很寬，在該工作溫度范圍內鏡筒通常需要采用鈦合金等線膨脹系數較小的金屬材料以便減輕溫度對成像質量的影響，但此類材料一般價格昂貴，不適合需要嚴格控制成本的批量化生產。在該鏡頭的優化設計過程中采用被動消熱差的方式將溫度對像質的影響降至最低，被動消熱差通過玻璃材料的選擇及鏡頭參數的迭代優化尋找最優解[7]。最終的設計結果顯示在鏡筒采用一般鋁合金材料的情況下，鏡頭在要求的工作溫度范圍內都能清晰成像，既滿足了指標要求又很好地控制了成本。鏡頭優化設計后的結果如圖4—圖10所示。