可见与近红外波段大视场平行光管物镜设计研究

2011-03-16崔莹莹文大化吕超车英

长春理工大学学报（自然科学版） 2011年2期

崔莹莹，文大化，吕超，车英

(1.长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033)

微光夜视系统是一种能充分利用夜间天光，通过光增强技术，使人眼能够观察低照度目标的系统，成为微光夜视仪。微光夜视技术已经成为现在着重发展科学技术，并且首先应用在军事领域中而且得到发展。目前，微光夜视技术已经在夜间观察、桥梁架建、瞄准、水下作业等方面得到了非常广泛的应用。

夜视系统可靠性是衡量其性能优劣的主要指标，因此，微光夜视系统在定型前，必须进行可靠性试验。为此，要用平行光管检测法对微光瞄准镜进行检验，即利用平行光管为被试微光瞄准镜(靠近平行光管物镜)提供均匀光照度环境，模拟一个微光远距目标，被试微光瞄准镜接收后，对目标进行识别。

1 平行光管技术参数确定

平行光管物镜的主要设计技术参数分别为视场、通光孔径、焦距、调制传递函数(MTF)。

(1)平行光管的物镜视场

平行光管的物镜视场依据被试瞄准镜所需最大视场确定，按需求平行光管的物镜全视场定为20°。

(2)平行光管物镜通光口径

(3)平行光管物镜焦距

在平行光管物镜的视场、有效通光口径均确定情况下，平行光管物镜焦距长短的选定与传输通光量的多少、分辨率板刻线细度、分划板线视场、像差平衡、渐晕、光照度的不均匀性、调制传递函数(MTF)等多项因素有关。在综合考虑上述各项影响因素的利弊关系，并结合技术要求与物镜的设计难易程度、加工工艺水平等，最终确定平行光管物镜的焦距为500mm。

(4)平行光管物镜的工作谱段：

平行光管物镜复消色差谱段的选择应与微光夜视仪像增强器的光谱响应范围和夜视仪物镜的消色差光谱相匹配，综合考虑平行光管物镜复消色差谱段选为0.486～0.863。

(5)平行光管物镜的MTF值

2 设计过程

物镜复消色差谱段在0.486～0.863 m之间，复消色差要求既要消除高斯区域内的二级光谱，同时也要消除高斯区域外的色球差。为了校正二级光谱，采用了具有特殊色散的玻璃TF3与校正二级光谱使用较多的LAK2玻璃进行组合设计。

二级光谱公式：

TF3玻璃和另一种玻璃LAK2配对时，所得二级光谱很小，兼顾系统的二级光谱和高级球差，须使每个单元透镜的光焦度绝对值尽量小，因此，要求正透镜的值尽可能大，负透镜的值尽可能小。为降低高级像散，应选择正透镜的折射率尽可能高些，负透镜的折射率尽可能小些，所以，选择这组玻璃是合理的。

对于像差的校正，可以从以下几个方面做到：对于焦距的分配，使它对称变化可以校正位置色差CI，而对于倍率色差Cn，它的校正需要焦距的失对称。因此，需要对焦距分配的均衡。而对于球差和像散，它们的校正，主要是依靠透镜半径弯曲的对称性，但这对彗差和畸变的校正不利，因为对透镜弯曲的失对称变化时对校正彗差和畸变。而对于匹兹伐和的校正，可以通过调整正负透镜的距离实现。由此可见，系统中的每个透镜的半径变化，对像差的校正都是有贡献和局限的，在设计时，应考虑到各个像差的贡献，综合设计。

表1 玻璃参数值Tab.1 Glass parameter values

对于像差和场曲的校正，通过增大前组玻璃和光阑附近玻璃的厚度实现。同时，在系统的前后组之间加入一个反常胶合面，在减小轴外球差的同时，引入正高级像散，这样就能抵偿系统本身的负高级像素，最终改善像散对系统的影响。同时，反常胶合面的加入也可以使成像高度降低，这对轴外球差的校正很有利。优化处理后得到的光学系统结构图如图1所示。