采用塑料光学元件的微光夜视物镜设计

张良，潘晓东

(中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳471023)

0 引言

微光夜视是一种利用光增强技术的光电成像系统。它利用夜间月光、星光、大气辉光等自然微光工作，工作隐蔽、可靠，可以大大改善人眼在微光下的视觉性能，在军事上可以用来观察敌方的夜间行动、发现隐蔽目标以及飞机的夜视导航，是执行夜间作战任务的必备装备之一，在军事上得到迅速发展和广泛应用。

由于微光夜视系统是一种被动探测系统，隐蔽性好，在国内外各兵种都有装备。为了便于头部佩戴，通常对微光夜视镜的尺寸、质量有着严格的规定［1-2］，采用常规的光学玻璃材料和金属材料，通常难以满足系统的质量指标要求。塑料光学元件是一种新型光学元件，具有质量轻、较好的光学性能、易于批量生产的优点［3］，可以用来替代光学玻璃材料。但是塑料光学元件有着明显的缺点，热膨胀系数比玻璃材料大出一个数量级，光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6 ～50 倍，因此，采用塑料元件的光学系统其高低温光学性能比常温光学性能有着明显的下降，必须考虑无热化措施［4-5］。

本文设计了一种微光夜视物镜，为减轻物镜质量，物镜大部采用塑料元件设计。重新优化了系统设计，将光学塑料元件和光学玻璃元件组合实现光学被动无热化，以保证该系统在-40 ℃～60 ℃全温度范围的光学性能。

1 光学无热化设计原理

光学被动温度补偿设计的基本出发点是利用不同透射材料的温度特性(线膨胀系数和折射率温度系数)，在满足系统成像质量要求的同时，适当选配材料并合理分配光焦度，使整个光学系统本身产生的像面离焦与仪器壳体的热胀冷缩一致。如图1，假设系统由j 个位于空气中(常温下na≈1)的薄透镜密接组成，每个薄透镜的光焦度为φi(i=1，2，…，j)，全系统的光焦度为φ，当物面位于无穷远时，满足以下3 个条件即可实现系统的光学自动补偿［6-8］:

式中:hi是主光线在各透镜上的高度;是各透镜光焦度随温度的变化，即光热膨胀系数;vi为各透镜的阿贝常数;αg是镜筒材料的线膨胀系数。

图1 光学无热化原理图Fig.1 Schematic diagram of optical athermalization

(1)式为构成系统各单透镜的光焦度关系，(2)式为消轴向色差条件，(3)式为补偿像面离焦需满足的条件，称为热补偿条件。一般情况下，满足(1)式～(3)式的系统只能对某一种镜筒材料实现自动热补偿，而且由于镜筒材料和光学透射材料温度特性的非线性，也只能在某一温度段内完全实现自动热补偿。

2 常用光学塑料

常用的光学塑料有: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)、环烯烃共聚物(COC)等。与光学玻璃材料相比，光学塑料具有制造成本低、质量轻、可以设计成复杂面型、易装配等优点。光学塑料的缺点是光学塑料品种少，折射率的选择受到限制;光学塑料的热膨胀系数比玻璃大出一个数量级，折射率温度系数比玻璃要大6 ～50 倍，因此，塑料光学元件对温度和湿度等环境的变化更为灵敏;一般来讲塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80 ℃～120 ℃.常用光学塑料性能如表1所示。

表1 常用光学塑料性能Tab.1 Performances of optical plastic materials

3 光学系统设计实例

3.1 设计指标

微光夜视物镜光学系统调制传递函数(MTF)等设计指标如表2所示。

3.2 光学系统仿真

根据设计指标要求，分别采用全光学玻璃材料和全光学塑料材料实现微光夜视光学系统的设计，并对设计结果进行对比分析、评价。在全光学玻璃材料设计中，从Code V 软件镜头库中选取合适结构作为镜头初始结构，然后进行优化设计和像差平衡，使其满足设计指标要求。

由于光学塑料的折射率比较低，差别也不大。假如光学系统全部采用光学塑料零件的话，系统的色差能得到一定的校正，但要同时校正场曲就很困难。因此，在全光学塑料材料设计中，需引入非球面参与像差校正，并且使塑料光学零件的中心厚度与边缘厚度要尽可能接近，以减小塑料收缩引起的变形。最终的设计结果如图1～图3所示。

图1 光路追迹图Fig.1 Ray trace

从图2中可以看出，采用全光学玻璃材料和全光学塑料材料设计的微光夜视物镜的MTF 均可以满足常温指标要求。

3.3 温度分析

由于光学塑料材料的折射率温度系数比光学玻璃材料高一个数量级，因此，对于塑料光学系统因温度变化造成的曲率、厚度等一些参数的变化对光学系统性能的影响比普通玻璃材料光学系统要严重得多，温度变化导致的焦移见(4)式。

式中:Δf为温度变化引起的焦移;Ti为光学材料热常数，为第i 个透镜的折射率，dNi/dt 为第i 个透镜的折射率温度系数，αLi为第i 个透镜材料线膨胀系数;f 为光学系统焦距;fi为第i 个透镜的焦距;αH为镜筒线膨胀系数。

温度变化将导致光学系统的焦距发生变化，像面随温度漂移非常严重，CCD 的焦平面与光学系统的焦平面不再重合，光学系统性能严重下降。对全塑料光学系统在-40 ℃、60 ℃下的光学性能进行温度分析，仿真结果如图3所示。

图2 光学系统MTF 评价Fig.2 MTF contrast of different optical systems

图3反映了全塑料光学系统在高低温环境下，MTF 急剧降低，像质下降严重，已经不能满足使用需求。因此，必须对全塑料光学系统进行温度补偿设计，改善其在高低温环境下的光学性能。

3.4 混合光学系统设计

为了减小环境温度变化对系统焦距产生的影响，可以采用光学塑料非球面零件和光学玻璃球面零件组成的混合系统。此时，光学塑料非球面一般用来校正像差，而系统的光焦度主要由玻璃球面零件来承担。根据光学无热化原理，对全塑料微光夜视物镜光学系统进行改进设计，同时考虑到光学系统的减轻设计，应采用较少玻璃透镜进行优化设计。在光学计算程序中，通过设置多重结构的方法进行不同温度条件下的像差平衡和温度补偿设计，优化设计后的塑料-玻璃混合光学系统如图4所示，玻璃材料采用NLAK33A 和FK5.

图3 塑料光学系统MTF 温度分析Fig.3 MTFs at different temperatures

图4 混合光学系统光路追迹图Fig.4 Ray trace of hybrid optical system

从图5可以看出，混合光学系统在高低温环境条件下，MTF 均满足设计指标，获得了优良像质。该混合光学系统中，仅使用了一片玻璃透镜，其余均为光学塑料透镜，可在保证系统像质的同时有效地降低光学系统质量。

3.5 系统质量分析

全玻璃材料光学系统、全塑料材料光学系统以及混合光学系统的质量对比见表3所示。

图5 混合光学系统MTF 温度分析Fig.5 Temperature analysis of hybrid optical system

表3 系统质量对比Tab.4 Weight comparison

从表3可知，采用全玻璃材料设计的光学系统是3 种设计中质量最大的。采用全塑料光学元件设计的光学系统质量约为原质量的1/3，是3 种设计中质量最轻的，但其受高低温环境影响严重，使用受到限制。采用玻璃-塑料混合设计的光学系统质量比全塑料光学系统的质量略有增加，但其优异的高低温性能使其应用更为广泛。

4 结论

通过对微光夜视系统的实际使用需求分析，依据光学塑料材料的物理特性和光学被动无热化的设计方法，提出了玻璃-塑料材料进行混合光学设计的技术路线，成功地设计了玻璃-塑料混和微光夜视物镜，获得了良好成像质量。该系统和全玻璃材料光学系统、全塑料材料光学系统进行了全面对比和综合评价。结果表明:该系统具有高低温成像优、质量轻、易装配、易大批量生产等优点;在单兵夜视技术领域具有应用前景。

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