三片式中波红外物镜设计

徐鹏

（南阳理工学院信息工程学院，河南 南阳473004）

1 概述

随着科学技术的不断发展进步，军事和镜头相关的工商业领域都越来越多的使用红外光学系统。尤其在军事方面，光学系统发展迅速，导致军事方面对光学系统的性能有越来越高的要求。通常情况下，摄远物镜的系统长度小于其焦距[1]，所以焦距相同时，把红外物镜设计成红外摄远物镜就可以很大程度上减少系统的制作成本。

对于摄远镜头，因为焦距大于筒长，我们又将其称为长焦距镜头。此外，由于摄远镜头可用于远距离拍摄，而且镜筒较短、便于携带，所以得到摄影爱好者和新闻工作者的追捧，因此得到了较广泛的应用。但是我国自主研发的摄远镜头却少之又少，而且价格昂贵，这导致我国摄远镜头的市场一直被国外厂商持续霸占着。随着科学技术的迅速发展，我国大力研发摄远镜头。虽然摄远镜头的设计制造都比较困难，但还是研发出了创新型、高性能的摄远物镜。因为摄远镜头焦距长、镜筒短，导致其光学系统结构就变得复杂，也有较大的二级光谱色差，所以早期的摄远镜头结构简单，设计也不困难，但是由于它的相对孔径小，像面上没有得到充足像面照度，也因此没有满足市场需求，没能进入市场[2]。但是近年来光学设计水平、光学元件加工工艺的不断提高进步使得大孔径镜头的研制不再困难。

2 红外摄远物镜的设计分析

2.1 摄远物镜原理

一般情况下，物镜的长度会大于它的焦距，但是高倍率望远镜的物镜焦距比物镜长度要大，为了降低制作成本，提高光学系统的性价比，通常用一个正透镜组和一个负透镜组构成这样的物镜，将这种物镜叫做摄远物镜。其原理图如图1 所示。

图1 摄远物镜原理图

为了缩小入瞳，通常情况让正透镜组在光学系统的前面，负透镜组在光学系统的后面。由于摄远系统中的透镜结构只有正负两个透镜组，可以较好的校正彗差和球差。系统的像散和场曲由负透镜组和弯月厚透镜校正。摄远物镜的系统总长小于物镜的焦距，通常能够达到焦距的2/3～4/5。

2.2 红外光学系统的无热化设计

在设计优化红外光学系统的过程中，红外材料的选取十分重要。材料的折射率等因素会直接影响到系统的成像质量，同时还要考虑到材料本身的物理属性对系统成像质量的影响。长波红外波段常常使用锗、硫化锌等几种材料。通常情况下，锗的折射率大于其他材料，所以在曲率半径方面锗材料的透镜要大于其他材料的透镜，这样光线入射到锗透镜表面时发生的偏折就可忽略不计，而且锗的性能较稳定，方便生产制造。硒化锌的物理性能稳定，在宽光谱内稳定成像，在可见光和红外光的照射下都可良好成像。

很多红外光学系统都被要求能够在不同的温度条件下稳定的工作，并且都有良好的成像质量，但大部分的材料特性都会随着温度的改变而发生变化，以至于光学系统的成像质量变差。所以人们在设计红外光学系统的时候会考虑到外部环境温度对光学系统的影响，进而采取相应的方法来降低或者消除温度对光学系统的影响，使红外光学系统能一直保持良好的成像质量。这种消除或减少温度影响系统成像质量的技术称为无热化技术[3]。目前国内主要采用的光学系统无热化技术是机械被动式、电子主动式和光学被动式这三种[4]。机械被动式是利用记忆合金对温度比较敏感的特性，使透镜产生轴向位移，补偿温度变化引起的像面位移；电子主动式是由温度传感器测出温度的变化量，通过计算出由温度变化导致像面位移的大小，再让电动机驱动透镜产生轴向位移，以此达到补偿效果[5]。光学被动式是通过利用不同光学材料的不同性能，将不同的材料相互组合，来消除温度对成像质量的影响。这种方式简单方便、成本低，受到了广泛的应用。

无热化设计流程大概分为三步：常温条件下设计出一个像质较好的系统；改变温度，根据不同温度时的系统成像结果，分析系统的像质发生哪些变化；采用无热技术，使系统在要求一定的温度范围内有良好的成像质量。

3 三片式中波红外物镜系统的初始设计

综合分析像差理论和光学设计确定初始结构。确定初始结构时常用PW 法和经验法。PW 法通常用于确定较简单的光学系统初始结构，但是其计算过程繁琐复杂，为了可以尽快完成此次的光学系统设计，采用经验法，将分析所得的光学特性参数与ZEBASE 数据库中的初始结构相对比，选取相似的结构作为本次设计的初始结构，对选择的初始结构进行参数修改和优化设计[6]。

表1 光学系统初始结构数据

本文设计的物镜主要指标为：红外探测器选用2/3 英寸CCD，工作波段是3～5μm，系统焦距f'=200mm，F 数：2.4。所选取的初始结构焦距f'=101.852mm，F=4.036，2ω=70，工作波段是3.2～4.2 μm。

4 三片式中波红外物镜系统的优化设计及像质分析

4.1 主要像差的校正

由于像差的必然存在，导致系统所成像与理想像之间存在一定的差别，所成的像达不到绝对的清晰。因为存在像差，光学系统成像达不到设计任务的理想要求，所以要不断地进行像差校正，使得光学系统的成像趋于理想[7]。

本文的像差校正主要是使用自动校正法。自动校正是利用评价函数设置好相应的控制因子，如玻璃间的厚度、空气厚度、调制传递函数等来进行不断地优化，借此校正像差，使得最终光学系统满足成像质量要求[8]。

彗差是轴外像差之一，它破坏了轴外视场成像的清晰度[9]。场曲也称像场弯曲，是指轴外光线经系统后聚焦点前后变换，所成的像并不在理想像面上，属于轴外点光束像差[10]。本文选用合适的正透镜和负透镜相结合，借此校正场曲。像散是一种轴外像差，它主要指光线在经过光学系统后不能在像面上汇聚成一点，进而使得成像模糊[11]。

发光体经透镜成像后，物体的几何形状与实际成像不符，发生了几何形变。这种与理想成像的差距称之为畸变[12]。对于单个折射面，如果将光阑设在球心处，主光线穿过透镜中心且与理想像点重合，不产生畸变。对于单个薄透镜组来说，只需将光阑与透镜组合理结合即可在一定程度上消除畸变。

如图2 是初始结构的像散和畸变曲线图，由图可得该光学系统存在像散。在右侧曲线图中，纵坐标表示该系统的视场，横坐标表示该系统畸变的百分比数值，通常情况下光学系统的相对畸变数值小于5%就满足设计要求[13]，而本系统中的相对畸变的数值最大值小于0.05%，说明此系统成像质量良好。所以本次设计对畸变不做过多优化。

图2 优化前的像散（左）、畸变（右）图

4.2 设计结果及像质评价

本次设计在经过多次的设置参数变量和设置控制因子，进而对初始结构的系统进行不断地优化和像差校正，直到最终的成像质量满足设计要求。优化后的系统二维光线追迹图如图3所示，优化后的光学系统结构参数如表2 所示。

图3 优化后的二维光线追迹图

表2 优化后的光学系统结构参数表

最终的光学系统结构参数：F 数为2.43，焦距f'=200mm，系统总长为160 mm。

图4(a)为系统的调制传递函数曲线。相比初始结构，系统的调制传递函数有了明显的提高。图4(b)所示为优化后的点列图，相比较初始结构的时候都降低了很多，这表明经过各种像差校正优化之后，成像质量满足本次的设计要求。

图4 优化后MTF 曲线图和点列图

如图5 是优化后的场曲畸变图。由图得，优化后系统的场曲最大为0.5 mm，达到任务设计要求。通常情况下要求相对畸变的数值要小于5%，由图可知该系统的畸变最大值仅为1%，因此满足设计要求。

图5 优化后的场曲畸变图