两挡变焦光学系统的齐焦设计

杨利华，李 景，陶 玉，林 晶，孟军合

（天津津航技术物理研究所，天津300192）

引言

受光学材料折射率、光学加工以及光学装校等误差因素的影响，光学系统实际像面会偏离光学设计理想像面，称这种现象为像面漂移。像面漂移是任何光学系统都会产生的现象，且不同光学系统的像面漂移量也不相同。实际应用的光学系统像面是经像面漂移后的实际像面而非理想像面，即实际应用通过调焦消除像面漂移的影响，但一般会残余一定的离焦量（小于焦深）。

两挡变焦光学系统属于共像面复合系统，由宽视场短焦子系统（以下简称短焦子系统）和窄视场长焦子系统（以下简称长焦子系统）组成。由于上述误差的存在，短焦子系统和长焦子系统均会发生像面漂移，但两子系统漂移量不同（可能产生同向像面漂移或异向像面漂移），导致短焦子系统和长焦子系统产生不齐焦现象，即一子系统成像清晰，另一子系统成像模糊。上述不齐焦现象严重影响两挡变焦光电系统的性能，因此必须在光学系统设计的同时进行齐焦设计。

1 指标要求及设计结果

1.1 主要指标要求

以某型载荷中波红外两挡变焦光学系统（以下简称中波两挡变焦系统）为例，其主要指标包括：

1）工作波段 3.4μm～4.8μm；

2）焦距 46.5mm／186mm；

3）F＃3；

4）视场 4.72°×5.9°／1.18°×1.47°；

5）冷光阑效率 100%；

6）无热化温度范围－40℃～60℃；

7）致冷型探测器像元数320×256，像元尺寸15μm×15μm。

1.2 结构选型

中波两挡变焦系统选用致冷型探测器，光学系统由变焦组份和二次成像组份组成，变焦组份可设计成轴向移动变焦式或垂轴切换变焦式，受空间体积限制（垂轴方向空间受限），选用轴向移动变焦式。

轴向移动变焦式一般由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成。假设变倍组焦距相同，则正组补偿与负组补偿比较，正组补偿的系统细而长，负组补偿的系统短而粗，负组补偿系统的二级光谱和光阑球差均比正组补偿系统大。对于小视场和光阑球差、二级光谱要求较低的光学系统，可选负组补偿型式；对于大视场光学系统，或焦距较长的大倍率光学系统，需要使镜头通光口径和二级光谱小，采用正组补偿型式较好。本设计属于长焦大视场系统，选用正组型式补偿，根据各镜组对光焦度的贡献，采用“＋－＋＋”组合形式。

1.3 设计结果

中波两挡变焦系统设计结果如图1所示。系统由9片透镜组成，其中变倍组由2片透镜组成（透镜3、透镜4），补偿组由2片透镜组成（透镜5、透镜6），通过变倍组和补偿组的轴向移动实现变倍补偿。系统设计采用冷光阑，冷光阑效率为100%。按照指标要求在－40℃～＋60℃的温度范围内开展了无热化设计，像质良好。

结构件选用铝合金，满足－40℃～＋60℃的无热化要求。对中波两挡变焦系统进行冷反射分析可知，短焦子系统与长焦子系统的冷反射相当，在－40℃～＋20℃的使用环境温度下，两系统的冷反射均较轻，可以不作校正；在＋30℃～＋60℃的使用环境温度下，两系统的冷反射较重，且环境温度越高表现越明显，经计算需要每6℃进行一次非均匀校正。

图1 光学系统结构Fig.1 Optical system layout

对中波两挡变焦系统进行公差分析，需分配的公差项目有以下几个方面：

a）光学材料的折射率公差；

b）每个表面的光圈和局部光圈；

c）每片透镜的厚度公差，空气间隔公差；

d）每片透镜的偏心和倾斜公差。

上述公差均影响光学系统的成像质量，其中折射率、光圈、厚度和空气间隔公差对光学系统像面位置影响较大，是产生像面漂移的主要误差源。公差分析结果表明，本系统像面漂移量在±0.2mm量级。

2 齐焦设计

2.1 齐焦补偿原理

分配给光学系统的公差影响着光学系统的成像质量，使像面发生漂移，虽然通过探测器调焦可以抵消一部分，但由于短焦子系统与长焦子系统的像面漂移量不同，两系统的调焦量不等，产生不齐焦现象。

图2 变焦光学系统示意图Fig.2 Diagram of zoom optical system

图2 为变焦光学系统示意图，图3为有公差影响的变焦光学系统示意图，其中实线和虚线分别代表短焦子系统和长焦子系统的光路。图3中，由于公差的影响，短焦子系统与长焦子系统的实际像面均相对理想像面发生了漂移，且两像面位置不再重合，产生了Δl的偏移量。

图3 公差影响的变焦光学系统示意图Fig.3 Diagram of influences of tolerances in zoom optical system

通过调节光学系统中的变倍组或补偿组可以改变两子系统像面偏移量Δl的大小，调焦方式可选择同时调变倍组和补偿组、单调变倍组、单调补偿组3种方式，如图4～6所示。

2.2 方案设计

中波两挡变焦系统齐焦设计时，可先固定一子系统，另一子系统通过变倍组或补偿组或二者组合的小量调整（补偿量）来解决不齐焦问题。中波两挡变焦系统齐焦设计有两种方案：定长焦调短焦和定短焦调长焦。

根据工程经验，光学系统像面漂移量一般在±0.2mm量级，齐焦设计时可通过在光学设计软件中建立多重结构来实现。

2.2.1 定短焦调长焦（简称方案A）

方案A补偿方式有3种方式：调变倍组与补偿组（简称方案A1）、调变倍组（简称方案A2）和调补偿组（简称方案A3）。

设短焦子系统在理想焦面，长焦子系统像面漂移量（δA）分别取±0.1mm 和±0.2mm，则分别采用方案A1、A2和A3时，各组补偿量（ΔA）与长焦焦距（fA）变化情况见表1所示。

图5 调节变倍组光学系统示意图Fig.5 Diagram of adjusting zoom set

图6 调节补偿组光学系统示意图Fig.6 Diagram of adjusting compensating set

表1 方案A补偿量与长焦焦距变化情况Table 1 A compensation scheme with long focal length changes

由表1可得出如下结论：

1）方案A1的变倍组补偿量在－0.1mm～0.1mm之间，约为像面漂移量的0.5倍，方向相反；补偿组补偿量在－0.3mm～0.3mm之间，约为像面漂移量的1.5倍，方向相反；长焦子系统焦距不变。

2）方案A2的变倍组补偿量在－0.08mm～0.08mm之间，约为像面漂移量的0.4倍，方向相反；长焦子系统焦距最大变化率为1.08%。

3）方案A3的补偿组补偿量在－0.27mm～0.27mm之间，约为像面漂移量的1.3倍，方向相反；长焦子系统焦距最大变化率为0.73%。

2.2.2 定长焦调短焦（简称方案B）

方案B补偿方式也有3种方式：调变倍组与补偿组（简称方案B1）、调变倍组（简称方案B2）和调补偿组（简称方案B3）。

设长焦子系统在理想焦面，短焦子系统像面漂移量（δB）分别为±0.1mm和±0.2mm，则分别采用方案B1、B2和B3时，各组补偿量（ΔB）与短焦焦距（fB）变化情况见表2所示。

表2 方案B补偿量与短焦焦距变化情况Table 2 B compensation scheme with short focal length changes

由表2得出如下结论：

1）方案B1变倍组的补偿量在－0.27mm～0.27mm之间，约为像面漂移量的1.4倍，方向相同；补偿组的补偿量在－0.5mm～0.5mm之间，约为像面漂移量的2.4倍，方向相反；短焦子系统焦距不变。

2）方案B2变焦组的补偿量在－0.35mm～0.35mm之间，约为像面漂移量的1.7倍，方向相同；短焦子系统焦距最大变化率为2.64%。

3）方案B3补偿组的补偿量在－0.5mm～0.5mm之间，约为像面漂移量的2.5倍，方向相反；短焦子系统焦距最大变化率为0.58%。

2.3 方案选择

齐焦设计方案的选择可遵循以下原则：

1）调整组遵循一定的规律；

2）调整组越少越好；

3）调整组的补偿量越大越好（精度要求能低一些）；

4）焦距变化量越小越好。

综合以上分析可以看出，齐焦设计方案都有一定的规律性，补偿量与像面漂移量之间都有一个近似的倍率；同时调变倍组和补偿组时可以使焦距变化量为零，单调变倍组或补偿组时焦距都有所变化。定长焦调短焦方式的焦距变化量小，可优选方案B；从调焦组的个数方面考虑，可选择方案B2和B3；从调焦量的精度和焦距的变化量方面考虑，方案B3优于方案B2。因此，中波两挡变焦系统齐焦设计最终选择方案B3，即定长焦调短焦、单调补偿组的方式。

3 结论

以某型载荷中波红外两挡变焦光学系统为例，介绍了共像面复合系统不齐焦现象产生的原因和齐焦设计原则，探讨了定短焦调长焦、定长焦调短焦两种齐焦设计方案，其中每种方案又分别尝试了同时调变倍组和补偿组、单调变倍组、单调补偿组3种调焦方式，总结了齐焦设计方案选择的原则，最终确定定长焦调短焦、单调补偿组的齐焦设计方案最优。

两挡变焦光学系统的齐焦设计方法不仅适用于共像面复合系统，对其他分像面复合系统的齐焦设计也有一定的参考意义。

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