潜望镜照相窗口光学系统二级光谱校正分析

赫玉琢 张 屹

（1.三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002；2.中南装备有限责任公司，湖北 宜昌 443005）

大多数的光学系统中，二级光谱对整个系统来说不会很大，不至于显著影响成像质量.但是，对于像潜望镜这种转象系统很长，总长达到10m以上的光学系统来说，其二级光谱就会很大，通过潜望镜照相窗口拍摄的照片可以看到，被摄主体的边缘环绕着彩色像斑，降低了清晰度和分辨率，严重影响了成像质量.为得到高质量的照片，满足实际应用的需要，二级光谱的校正是必须要解决的问题.国内外对潜望镜二级光谱的校正方法主要有［1］：1）加滤光镜以缩小感光的光谱范围；2）用光焦度相等的校正件更换原系统的一个或数个组件；3）在光学系统中加入光焦度为零的色差校正件.

在后两种方法中，由于更换或加入的校正件是口径最大的转象系统或在其附近，使得零件口径很大，再加上校正件必须使用某些特殊玻璃的原因，造成加工困难，成本高，不如加滤光镜易于实现.但滤光镜的缺点是滤掉了一部分光谱范围，并使得透过率进一步降低.

近年来，随着制备工艺的进步，发展了多种特殊光学玻璃和晶体玻璃［2］.本文将利用这些玻璃，与其他普通光学玻璃组成复消色差的方式，在潜望镜照相窗口的后端进行像差校正.

1 二级光谱理论概述

实际光学系统与理想光学系统有很大的差异，即物空间的一个物点发出的光线经实际光学系统后，不再会聚于像空间的一点，而是一个弥散斑，弥散斑的大小与系统的像差有关［3］.单色光成像会产生性质不同的5种像差，轴上点单色像差只有球差一种，轴外点单色像差有彗差（正弦差）、像散、场曲和畸变，这些统称为单色像差.像差除了单色像差外，还有一种颜色像差，即不同颜色的光的成像差异，主要有轴向色差和倍率色差，二级光谱是高级色差的一种.产生高级色差的原因主要有两个，一是光学系统的孔径或视场加大时会引进高级色差，二是由光学材料的色散和部分色散引起.

当一个光学系统对F光和C光消色差，即IF′＝IC′，但D光的像点并不与F光和C光的公共焦点重合，也就是说ID′≠IF′，ΔIFD′＝IF′－ID′≠0，这就是通常所说的二级光谱，如图1所示.二级光谱是一种高级色差，用普通的光学玻璃难以校正的、比较顽固的高级色差.

图1 色差曲线

双胶合透镜的二级光谱可用下式表示

2 光学玻璃材料选取

2.1 光学材料的特性

光学工程中所使用的材料涉及的范围很广，各种光学玻璃、工程塑料、天然晶体、人工晶体、若干种金属及其若干种金属和非金属氧化物等都属于光学材料的范畴［5］.用作镜头的光学材料，主要性能是折射率和透过率，两个量都随波长变化，是波长的函数.折射率随波长的变化称之为色散.影响透过率主要是界面的反射损失和材料的吸收.除此之外，光学材料还有牢固性、化学稳定性、抗腐蚀性、可加工性等方面的要求［6］.用作校正二级光谱的光学材料，阿贝数（色散系数）和相对色散系数是最重要的性能指标.

2.2 校正二级光谱玻璃的选取

在普通光学玻璃中，相对色散系数与阿贝数的关系几乎是一条直线［7］，对于校正二级光谱作用不大，因此，要在特殊光学玻璃或晶体中选取一种.

在特殊光学玻璃及晶体中，常见用于成像光学系统中的有锗单晶、硅单晶、氟化钙晶体，氟化镁晶体，硒化锌，硫化锌等.锗单晶和硅单晶都不透过可见光，不予选择.氟化钙和氟化镁晶体都在可见光范围内具有良好的透过率，但是其折射率很低，对于校正光学系统中其余像差贡献不大.其中氟化钙也叫萤石，是传统消除二级光谱的良好材料，但氟化钙的物理特性不大好，比较软，易碎，抗气候条件能力差，易潮解［8］.

硒化锌和硫化锌都是惰性材料，具有较宽的透过波长范围和很高的折射率.其中硫化锌中的多光谱CVD硫化锌，透过波长范围是0.37～14μm，适用可见光及红外系统.硒化锌虽然也透过可见光，但它的透过波长范围是0.5～22μm，滤掉了部分蓝紫光.

图2 样板9.4mm厚的多光谱CVD硫化锌透过率曲线

最终选择红外材料多光谱CVD硫化锌，其在温度20℃，波长为0.587 6μm（D 光）时，折射率为2.368，阿贝数15.305.将其代入潜望镜照相窗口的光学系统中进行优化设计，并分析其成像质量.

3 光学系统优化设计

3.1 ZEMAX基本参数设置

在ZEMAX光学设计软件中，输入潜望镜照相窗口的实际像面高度为1／3英寸CCD像面高度（6.4 mm×4.8mm），波长范围为0.486～0.656μm（F、D、C光），环境温度为20℃，1个标准大气压.

3.2 优化设计思路

本设计是为了校正潜艇潜望镜照相窗口光学系统的二级光谱，对于潜望镜本身的结构和玻璃不做改变，只在其照相窗口的光学系统后面，加装4块玻璃，采用复消色差的方法，校正二级光谱，改变成像质量.由于潜艇潜望镜镜体很长，总长超过10m，其间光学玻璃近20块，这里就不做介绍了.加装的一组玻璃中，将其曲率半径设为变量，玻璃厚度和空气间隔因其结构尺寸的原因，经计算后确定其值不做改动，玻璃材料设为变量，其中中间一块玻璃材料定为多光谱CVD硫化锌.

图3 优化设计流程图

利用ZEMAX光学设计软件进行像差校正，要在其自动设计时进行人工调整，改变优化的变量和多项像差指标的权重.如设计过程中，出现球差指标过大，可以把球差设定为优化参数，设定一个具体值（要比原光学系统的球差数值小），优化的权重可以设定为1，这样再继续优化，一般可使球差变小.为增加系统透过率，各玻璃镀可见光波段高效增透膜，此外，还要考虑结构尺寸的可装配性，例如最后一个玻璃面不能离像面太近，否则没有距离装配.

3.3 优化设计结果

本设计是用CCD接收像面，而CCD有保护玻璃，故设定最后玻璃曲面到像面距离不小于10mm，在设计的最后阶段为改善像质可略微放松最后空气间隔的权重数.下面是优化设计部分参数和点列图，如图4～5所示.

图4 结构参数

图5 点列图

上述结果表明，采用红外材料多光谱CVD硫化锌进行优化设计，其成像质量优良，能满足潜望镜照相窗口的使用要求.

硫化锌因其优良的理化性质和光学性质，经常用于制造整流罩和红外光学系统.随着制备工艺的进步，使硫化锌的透过波长范围增加到可见光，经过在其表面镀增透膜，让多光谱CVD硫化锌应用到可见光系统变成可能.在白光系统中，其2.367的折射率和15.305的色散系数是任何普通光学玻璃无法比拟的.事实证明，多光谱CVD硫化锌对于校正白光光学系统像差具有很好的作用.

4 环境变化对光学系统的影响

4.1 温度变化对光学系统的影响

温度对光学系统的影响是多方面的，有对机械零件的影响，有对玻璃性能的影响，甚至对空气的折射率也有影响.综上这些影响，在光学系统中，最终会产生一定量的像面移动.采用多光谱CVD硫化锌设计时温度为20℃，现将温度扩大到低温－30℃至高温40℃，分析温度对系统带来的影响.

由图6～7可以看出，温度在－30℃时，像质变化较大，而温度在40℃时，像质变化不大.对系统进一步分析优化，得到其自适应温度区间为0～40℃，在这个温度范围内，光学系统无需进行离焦补偿，就能满足像质的要求.

图6 －30℃、1标准大气压下的点列图

图7 40℃、1标准大气压下的点列图

4.2 气压变化对光学系统的影响

气压对光学系统的影响主要是随气压的变化空气折射率也发生变化，进而影响到其成像质量.采用多光谱CVD硫化锌进行系统设计时，气压为1个标准大气压，现将其扩大至0.8～1.2个标准大气压，分析气压对系统带来的影响.

由图8～9可以看出，气压在0.8和1.2个标准大气压时，像质变化较大.对系统进一步分析优化，得到其自适应气压区间为0.9～1.1个标准大气压，在这个气压范围内，光学系统无需进行离焦补偿，就能满足像质的要求.

图8 20℃、0.8标准大气压下的点列图

图9 20℃、1.2标准大气压下的点列图

5 结 语

通过利用红外材料多光谱CVD硫化锌，将其代入到潜望镜照相窗口光学系统中，得到了较好的成像质量.这说明对于潜望镜照相窗口二级光谱的校正，不限于传统的几种方法，随着光学玻璃制备工艺的进步，能校正二级光谱的新型玻璃将不断问世，使潜望镜二级光谱的校正有了新的方法，满足其照相窗口新时期的使用要求.

［1］ 张坤石，杨正智，孙成禄，等.潜艇潜望镜［M］.北京：国防工业出版社，1983：139－155.

［2］ 王之江，顾培森.实用光学技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2007：531－536.

［3］ 郁道银，谈恒英.工程光学［M］.北京：机械工业出版社，1999：93－113.

［4］ 胡家生.光学工程导论［M］.2版.大连：大连理工大学出社，2005：502－519.

［5］ 王之江.光学技术手册（上）［M］.北京：机械工业出版社，1994：166－183.

［6］ 张以谟.应用光学［M］.天津：天津大学出版社，1988：315－327.

［7］ 袁旭沧.光学设计［M］.北京：科学出版社，1983：307－312.

［8］ 周庆才，王春艳，王 鹏，等.复消色物镜的波差法光学设计［J］.吉林大学学报：工学版，2007，37（4）：944－988.