长焦距小型无热化电视光机系统设计

陈秀萍，孙 婷，高 婧，罗传伟，李 元，何玉兰，杨华梅，李洁琼

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

为适应军事需求，现代光电仪器在提高作用距离的同时，向小型化轻量化方向发展，从而对电视观瞄具有了更高的要求。目前，光学系统的小型化轻量化设计已有多种手段［1－6］。采用特种面型，如非球面、衍射面及自由曲面，不仅有利于像差校正，而且可简化系统结构；采用高折射率材料，也有利于简化系统结构；采用特殊结构如摄远型结构或折反射式结构，可压缩轴向长度。折反射式结构由于装调难度大，易受环境的影响等使之应用受到限制。日本佳能的长焦距（800mm）定焦镜头采用摄远型结构压缩总长（461mm），摄远比为0.57；采用特殊材料如萤石和超低色散材料来校正二级光谱色差，系统像质良好［7］。本文为了满足长焦距电视小型化的需求，采用摄远型结构，使摄远比达到了0.53，采用高折射率低色散的负透镜和低折射率高色散的正透镜胶合校正色差，并对系统进行了消杂光及光机无热化设计，通过合理地设置光阑减少了系统的杂散光，选择合适的结构材料与光学材料相匹配，使之在整个工作温度范围（－40℃～＋65℃）内，无需调焦便可满足高低温等恶劣环境下的像质和光轴稳定性要求。

1 光学系统设计

小视场电视焦距382mm，视场0.9°，光谱范围600nm～850nm，系统长度不大于202mm。本设计采用正负组分离且正组在前的摄远型折射式光学结构，摄远比为0.53，系统前组承担较大的光焦度，其结构较后组复杂。由于相对口径较大，前组采用胶合－正单－胶合的3片透镜，不仅可以承担较大的相对口径，而且采用高折射率低色散的负透镜H-LaF4和低折射率高色散的正透镜HZBaF1胶合可以使色差得到较好的校正。后组采用双分离透镜组，有利于不对称结构中畸变的校正。系统设计结果如图1所示。点列斑和MTF如图2和图3所示。

由图2和图3可知，系统的点列斑最大4.7μm，小于探测器的像元尺寸6μm，MTF接近衍射极限，可保证系统成像清晰。

图1 光学系统结构图Fig.1 Optical system structure

图2 系统的点列斑Fig.2 Spot of optical system

图3 系统的MTFFig.3 MTF of optical system

2 杂散光分析与消杂光设计

对于电视系统，杂散光对像质影响较大，因此需要对杂散光进行分析并采取相应措施消除杂散光。消除杂散光有两种常用方式：1）降低镜筒内壁的反射率。通过Lighttools仿真可知，镜筒内壁反射率由20%降到10%时，杂光系数由10.75%降到5.21%，即杂光系数随反射率的降低同比下降，因此可以通过消杂光齿纹减小镜筒和隔圈内壁的反射率来达到消杂光目的。2）采用消杂光光阑。当进入镜筒内部0.45°的光线能够顺利到达像面而不被遮拦，则认为系统的成像光线能够完全到达像面，同时，到达像面的杂散光应该最少，以此为依据设计光阑的通光口径。由于越靠近像面，光阑对杂光的消除效果越明显，因此可以先设计离像面位置最近的光阑。如图4所示，当0.45°的光线进入镜筒时，有一小部分光已经被镜筒内部的光阑（φ10mm）挡住了，需要将光阑尺寸增大为φ11.5mm，使有效光线全部通过；而最接近像面处的光阑孔径较大（φ8mm），需要将像方光阑直径缩小为φ6.4mm，保证成像光束全部通过，同时拦截杂散光，如图5所示。通过Lighttools仿真得到杂光系数为3.75%，是原来的72%。可见在没有影响成像光能量的情况下，将像方光阑缩小到合适的尺寸对消杂光是很有帮助的。

图4 光阑对0.45°光线的遮挡情况Fig.4 Obstruction of 0.45°ray from stop

图5 像方光阑的孔径设计Fig.5 Stray stop near CCD

3 光机无热化设计

3.1 无热化分析与设计

由于小视场用于瞄准目标，因此对小视场的像质和光轴稳定性要求很高。小视场的焦距较长，成像质量随环境温度的变化波动较大。因此，对温度变化带来的影响需重点分析并优化设计。高低温会引起结构件和透镜的膨胀和收缩，致使透镜变形和间距发生变化。以下对钛合金（TC4）与铝作为小视场镜筒和隔圈的结构材料时小视场电视的成像性能变化进行分析，从而选择合适的镜筒和隔圈材料以提升高低温成像性能及光轴稳定性。表1为分析时用到的镜筒、隔圈材料和光学材料的性能参数。

表1 材料性能参数Table 1 Property of material

图6 小视场光机有限元分析模型Fig.6 Finite element analysis model of small-field optomechanical system

图7 小视场光机系统变形图Fig.7 Deformation of small-field optomechanical system

图8 高低温下TC4和铝镜筒的光学系统像质比较Fig.8 Comparision of image quality versus temperature of optical system for TC4 and Al tube

通过ISIGHT优化平台集成 MSC、PATRAN、MATLAB、CODE V进行有限元和光学分析，最终输出高低温下的MTF和点列斑。图6和图7分别为有限元分析模型和光机系统变形图。分析结果如图8所示。通过仿真分析可知采用钛合金（TC4）的小视场电视在高低温环境下的成像性能明显优于铝镜筒材质，所以，镜筒和隔圈采用热膨胀系数接近透镜材料的钛合金（TC4），实现光机材料适配无热化设计。这样，镜筒、隔圈与透镜在高低温下的接触应力变小，透镜面型变化小，镜筒和隔圈的热胀冷缩比较小，以致透镜间的间距在高低温下变化较小，全工作温度范围内成像清晰。因为不用调焦，电视系统中没有运动部件，所有光学件全部固定安装，光机材料适配无热化设计，设计与验证显示光轴稳定性优于0.04mrad。

3.2 像面漂移量分析

在CodeV中，对采用钛合金（TC4）做镜筒及隔圈的光机系统在高低温下的像面漂移量进行分析，结果如表2所示。

表2 像面漂移量分析Table 2 Analysis on BFL displace

分析表明，高低温下的像面漂移量在（－0.03mm～＋0.1mm）范围内，此范围小于该电视系统的焦深范围（0.14mm），完全可以满足高低温下的成像质量要求。

4 试验结果

为了验证小视场电视的设计效果，外场试验结果如图9和图10所示。对特定目标的探测、识别距离均达到了指标要求。

5 结论

本文采用摄远型光学结构设计的长焦距小型化电视系统，摄远比达到了0.53。根据无热化分析结果，选用钛合金（TC4）作为镜筒和隔圈材料与光学材料相匹配，可保证像面漂移量在焦深范围内，系统无需调焦便可满足高低温（－40℃～＋65℃）等恶劣环境下的像质和光轴稳定性设计技术要求。点列斑4.7μm，小于探测器的像元尺寸6μm，MTF接近衍射极限，光轴稳定性达到了0.04mrad。作用距离试验结果表明，探测和识别特定目标距离均达到了指标要求。

图9 8.4km目标Fig.9 Target at 8.4 km

图10 12.7km目标Fig.10 Target at 12.7 km

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