长焦物镜折衍混合式平行光管设计

张洪涛，翟旭华，曲宙

(装甲兵技术学院 控制工程系，长春 130117)

平行光管是光学实验及计量检测的重要设备，是一种高精度测试仪器，可以测量微小角度位移及平面的微小起伏，是目前工厂和实验室的测试仪器之一；同时，也是照相物镜和望远物镜等无限共轭成像光学系统的校调和像质检验不可缺少的测量基准。在检测中，高精度平行光管对保证质量至关重要[1，2]，其工作原理是用来产生平行光，两端分别为消色透镜组和照明系统。

衍射光学元件由于具有一系列独特的性质，在成像光学系统中的应用越来越广泛，人们也一直在尝试将衍射光学元件应用于军用成像光学系统。20世纪90年代后期，日本和北美就已在可见光波段将衍射光学元件用于 CMOS和 CCD相机光学系统。不久前国外出现的一种远摄型照相镜头和一种变焦镜头中都已采用了衍射光学元件，使得镜头的体积更小，重量更轻，成像质量更好[3]。本文探讨一种长焦物镜折衍混合式平行光管的设计方法，对其它大孔径平行光管的设计也具有参考意义。

1 传统平行光管的设计方案

平行光管系统一般采用完全反射或完全折射元件来完成，但反射式系统体积大，装调、加工困难，不适宜军事应用。因此，使用透射式系统(以便同后面的混合系统作比较)，但必须使用不同的透镜材料。由于机械长度的限制，平行光管的相对口径约为1:6，像差校正困难，为此选用三片式复消色差系统进行设计，在CODEV下优化得到的系统结构如图1所示。可以看到在各种优化条件都加以考虑的情况下，包括厚度、距离等都做了无法忍受的让步，但系统依然笨重、不适用，像差也比较大。基于以上缺点，采用新的方法对该系统加以改进设计。

图1 传统式平行光管光路图Fig.1 Optical length Scheme of conventional parallel collimator

1.1 长焦复消色差平行光管物镜的设计原理与方法

长焦复消色差平行光管是光学设计的难题之一，本文在设计过程中，利用波差与球差、慧差、波色差与位置色差、二级光谱的关系，推导出求解三片复消色差物镜初始结构方程式，为后续的设计工作打下了坚实的理论基础[4-6]。

二元光学元件(BOE)的等效阿贝数和相对部分色散为

由于上述讨论中没有限定混合透镜的材料，因此在原则上，混合透镜的材料可在整个玻璃范围内选择。常用玻璃范围的两端是普通冕牌玻璃和重火石玻璃，可选择其中两种最常用的玻璃K9或ZF3。当选择K9作为混合透镜材料时，将BOE和K9的两个坐标点连起来，得到混合等效玻璃线 BOE-K9直线，如图2所示。

图2 混合等效玻璃线图Fig.2 Hybrid effective optical glass curve

设计时，选择任一种不在该直线上的玻璃 G1进行组合都能使二级光谱得到校正。但是从获得合理光焦度解的角度，希望选择的材料在时，有足够大的差值，设差值。

1.2 长焦复消色差平行光管物镜的设计结果

图3 传统式平行光管光路图Fig.3 Optical length Scheme of conventional parallel collimator

在系统的焦距为：f=500mm，系统的口径为：D=80mm，工作波段为可见光：486.1~656.3nm，平行光管的全视场角为1°的条件下，通过使用光学设计软件CODEV优化，得到了最优化平行光管系统的总长为500mm，光学系统的重量约为405.9g，得到光学系统的最优化结构如图3所示，满足设计要求的光学系统的点列图、光学传递函数曲线和像差曲线分别如图4-图6所示。

图4 平行光管光学系统的点列图Fig.4 Spot-diagram curve of parallel collimator optical system

图5 平行光管的光学传递函数曲线Fig.5 Optical modulating transfer function curve

图6 平行光管系统像差曲线Fig.6 Aberration curve of parallel collimator system

2 折衍混合式平行光管的设计方法

在系统的焦距为：f=500mm，系统的口径为：D=80mm，工作波段为可见光：486.1～656.3nm的条件下，借助于光学设计软件CODEV进行优化设计，得到了最优化系统如图7所示，系统的总长为480mm，光学系统的重量约为253.5g。表1给出了系统的最佳参数，光阑置于透镜1的前表面，在透镜2的后表面加衍射面，利用上述理论分析可知，衍射面远离光阑时，对光学系统的球差、彗差、像散和畸变都有一定影响，而且透镜2的后表面为凸球面，为衍射面的加工提供了便利条件，系统最优化的设计结果如图8-图10所示。

图7 含衍射元件平行光管光路图Fig.7 Optical length scheme of parallel collimator with diffractive elements

图8 含衍射元件平行光管调制传递函数图Fig.8 Modulation transfer function of parallel collimator with diffractive elements

图9 含衍射元件平行光管点列图Fig.9 Spot-diagram curve of parallel collimator with diffractive elements

图10 含衍射元件平行光管像差曲线图Fig.10 Aberration curve of parallel collimator system with diffractive elements

表1 折/衍混合平行光管设计的最佳参数表Tab.1 Optimized parameters of the design for refractive diffractive hybrid parallel collimator

3 对比分析

3.1 调制传递函数

光学系统的调制传递函数(MTF)曲线，横坐标和纵坐标分别为像面上的空间频率和光学系统的光学传递函数值。传统镜头设计在501p/mm空间频率处，系统的 MTF值约为0.33，不到系统衍射极限的一半；而折射/衍射混合系统在501p/mm空间频率处，系统的 MTF值约为0.71，几乎接近系统衍射极限，远远高于传统设计方案。

3.2 点列图

点列图是由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的焦点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。点列图忽略了衍射效应。实验和使用结果表明，在大像差系统中的点列图中，点的分布能近似的代表点像的能量分布，因此，用点列图来评价大像差、高精度系统的像质是一种方便易行的方法。传统镜头的最大点斑的均方根直径为50m；折射/衍射混合系统最大点斑的均方根直径仅为5.2m。因此，折射/衍射混合系统具有非常高的能量集中度。

3.3 像差曲线图

在衍射能量曲线图中，横坐标是光瞳半径，纵坐标为像差值。可见，传统设计系统中像差为0.022mm，而折射/衍射混合系统中像差仅为0.006mm。

4 结论

根据衍射透镜特点进行单色像差校正和复消色差校正，使设计结构更加紧凑、片数少、透射比更高，具有良好的消像差特性，实现了军事对轻、巧、小的便携式要求，这种设计方案成像质量高，具有重要的实用价值和开创性意义。

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[2]吴小平，周起勃.大口径长焦距平行光管系统及其装校[J].光学仪器，1993，15(3)：26-28.

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