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    兩擋變焦光學系統(tǒng)的齊焦設(shè)計

    2014-06-01 03:37:36楊利華孟軍合
    應用光學 2014年3期
    關(guān)鍵詞:變焦焦距中波

    楊利華,李 景,陶 玉,林 晶,孟軍合

    (天津津航技術(shù)物理研究所,天津300192)

    引言

    受光學材料折射率、光學加工以及光學裝校等誤差因素的影響,光學系統(tǒng)實際像面會偏離光學設(shè)計理想像面,稱這種現(xiàn)象為像面漂移。像面漂移是任何光學系統(tǒng)都會產(chǎn)生的現(xiàn)象,且不同光學系統(tǒng)的像面漂移量也不相同。實際應用的光學系統(tǒng)像面是經(jīng)像面漂移后的實際像面而非理想像面,即實際應用通過調(diào)焦消除像面漂移的影響,但一般會殘余一定的離焦量(小于焦深)。

    兩擋變焦光學系統(tǒng)屬于共像面復合系統(tǒng),由寬視場短焦子系統(tǒng)(以下簡稱短焦子系統(tǒng))和窄視場長焦子系統(tǒng)(以下簡稱長焦子系統(tǒng))組成。由于上述誤差的存在,短焦子系統(tǒng)和長焦子系統(tǒng)均會發(fā)生像面漂移,但兩子系統(tǒng)漂移量不同(可能產(chǎn)生同向像面漂移或異向像面漂移),導致短焦子系統(tǒng)和長焦子系統(tǒng)產(chǎn)生不齊焦現(xiàn)象,即一子系統(tǒng)成像清晰,另一子系統(tǒng)成像模糊。上述不齊焦現(xiàn)象嚴重影響兩擋變焦光電系統(tǒng)的性能,因此必須在光學系統(tǒng)設(shè)計的同時進行齊焦設(shè)計。

    1 指標要求及設(shè)計結(jié)果

    1.1 主要指標要求

    以某型載荷中波紅外兩擋變焦光學系統(tǒng)(以下簡稱中波兩擋變焦系統(tǒng))為例,其主要指標包括:

    1)工作波段 3.4μm~4.8μm;

    2)焦距 46.5mm/186mm;

    3)F#3;

    4)視場 4.72°×5.9°/1.18°×1.47°;

    5)冷光闌效率 100%;

    6)無熱化溫度范圍-40℃~60℃;

    7)致冷型探測器像元數(shù)320×256,像元尺寸15μm×15μm。

    1.2 結(jié)構(gòu)選型

    中波兩擋變焦系統(tǒng)選用致冷型探測器,光學系統(tǒng)由變焦組份和二次成像組份組成,變焦組份可設(shè)計成軸向移動變焦式或垂軸切換變焦式,受空間體積限制(垂軸方向空間受限),選用軸向移動變焦式。

    軸向移動變焦式一般由前固定組、變倍組、補償組和后固定組組成。假設(shè)變倍組焦距相同,則正組補償與負組補償比較,正組補償?shù)南到y(tǒng)細而長,負組補償?shù)南到y(tǒng)短而粗,負組補償系統(tǒng)的二級光譜和光闌球差均比正組補償系統(tǒng)大。對于小視場和光闌球差、二級光譜要求較低的光學系統(tǒng),可選負組補償型式;對于大視場光學系統(tǒng),或焦距較長的大倍率光學系統(tǒng),需要使鏡頭通光口徑和二級光譜小,采用正組補償型式較好。本設(shè)計屬于長焦大視場系統(tǒng),選用正組型式補償,根據(jù)各鏡組對光焦度的貢獻,采用“+-++”組合形式。

    1.3 設(shè)計結(jié)果

    中波兩擋變焦系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果如圖1所示。系統(tǒng)由9片透鏡組成,其中變倍組由2片透鏡組成(透鏡3、透鏡4),補償組由2片透鏡組成(透鏡5、透鏡6),通過變倍組和補償組的軸向移動實現(xiàn)變倍補償。系統(tǒng)設(shè)計采用冷光闌,冷光闌效率為100%。按照指標要求在-40℃~+60℃的溫度范圍內(nèi)開展了無熱化設(shè)計,像質(zhì)良好。

    結(jié)構(gòu)件選用鋁合金,滿足-40℃~+60℃的無熱化要求。對中波兩擋變焦系統(tǒng)進行冷反射分析可知,短焦子系統(tǒng)與長焦子系統(tǒng)的冷反射相當,在-40℃~+20℃的使用環(huán)境溫度下,兩系統(tǒng)的冷反射均較輕,可以不作校正;在+30℃~+60℃的使用環(huán)境溫度下,兩系統(tǒng)的冷反射較重,且環(huán)境溫度越高表現(xiàn)越明顯,經(jīng)計算需要每6℃進行一次非均勻校正。

    圖1 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical system layout

    對中波兩擋變焦系統(tǒng)進行公差分析,需分配的公差項目有以下幾個方面:

    a)光學材料的折射率公差;

    b)每個表面的光圈和局部光圈;

    c)每片透鏡的厚度公差,空氣間隔公差;

    d)每片透鏡的偏心和傾斜公差。

    上述公差均影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量,其中折射率、光圈、厚度和空氣間隔公差對光學系統(tǒng)像面位置影響較大,是產(chǎn)生像面漂移的主要誤差源。公差分析結(jié)果表明,本系統(tǒng)像面漂移量在±0.2mm量級。

    2 齊焦設(shè)計

    2.1 齊焦補償原理

    分配給光學系統(tǒng)的公差影響著光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量,使像面發(fā)生漂移,雖然通過探測器調(diào)焦可以抵消一部分,但由于短焦子系統(tǒng)與長焦子系統(tǒng)的像面漂移量不同,兩系統(tǒng)的調(diào)焦量不等,產(chǎn)生不齊焦現(xiàn)象。

    圖2 變焦光學系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of zoom optical system

    圖2 為變焦光學系統(tǒng)示意圖,圖3為有公差影響的變焦光學系統(tǒng)示意圖,其中實線和虛線分別代表短焦子系統(tǒng)和長焦子系統(tǒng)的光路。圖3中,由于公差的影響,短焦子系統(tǒng)與長焦子系統(tǒng)的實際像面均相對理想像面發(fā)生了漂移,且兩像面位置不再重合,產(chǎn)生了Δl的偏移量。

    圖3 公差影響的變焦光學系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of influences of tolerances in zoom optical system

    通過調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)中的變倍組或補償組可以改變兩子系統(tǒng)像面偏移量Δl的大小,調(diào)焦方式可選擇同時調(diào)變倍組和補償組、單調(diào)變倍組、單調(diào)補償組3種方式,如圖4~6所示。

    2.2 方案設(shè)計

    中波兩擋變焦系統(tǒng)齊焦設(shè)計時,可先固定一子系統(tǒng),另一子系統(tǒng)通過變倍組或補償組或二者組合的小量調(diào)整(補償量)來解決不齊焦問題。中波兩擋變焦系統(tǒng)齊焦設(shè)計有兩種方案:定長焦調(diào)短焦和定短焦調(diào)長焦。

    根據(jù)工程經(jīng)驗,光學系統(tǒng)像面漂移量一般在±0.2mm量級,齊焦設(shè)計時可通過在光學設(shè)計軟件中建立多重結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

    2.2.1 定短焦調(diào)長焦(簡稱方案A)

    方案A補償方式有3種方式:調(diào)變倍組與補償組(簡稱方案A1)、調(diào)變倍組(簡稱方案A2)和調(diào)補償組(簡稱方案A3)。

    設(shè)短焦子系統(tǒng)在理想焦面,長焦子系統(tǒng)像面漂移量(δA)分別取±0.1mm 和±0.2mm,則分別采用方案A1、A2和A3時,各組補償量(ΔA)與長焦焦距(fA)變化情況見表1所示。

    圖5 調(diào)節(jié)變倍組光學系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of adjusting zoom set

    圖6 調(diào)節(jié)補償組光學系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of adjusting compensating set

    表1 方案A補償量與長焦焦距變化情況Table 1 A compensation scheme with long focal length changes

    由表1可得出如下結(jié)論:

    1)方案A1的變倍組補償量在-0.1mm~0.1mm之間,約為像面漂移量的0.5倍,方向相反;補償組補償量在-0.3mm~0.3mm之間,約為像面漂移量的1.5倍,方向相反;長焦子系統(tǒng)焦距不變。

    2)方案A2的變倍組補償量在-0.08mm~0.08mm之間,約為像面漂移量的0.4倍,方向相反;長焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為1.08%。

    3)方案A3的補償組補償量在-0.27mm~0.27mm之間,約為像面漂移量的1.3倍,方向相反;長焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為0.73%。

    2.2.2 定長焦調(diào)短焦(簡稱方案B)

    方案B補償方式也有3種方式:調(diào)變倍組與補償組(簡稱方案B1)、調(diào)變倍組(簡稱方案B2)和調(diào)補償組(簡稱方案B3)。

    設(shè)長焦子系統(tǒng)在理想焦面,短焦子系統(tǒng)像面漂移量(δB)分別為±0.1mm和±0.2mm,則分別采用方案B1、B2和B3時,各組補償量(ΔB)與短焦焦距(fB)變化情況見表2所示。

    表2 方案B補償量與短焦焦距變化情況Table 2 B compensation scheme with short focal length changes

    由表2得出如下結(jié)論:

    1)方案B1變倍組的補償量在-0.27mm~0.27mm之間,約為像面漂移量的1.4倍,方向相同;補償組的補償量在-0.5mm~0.5mm之間,約為像面漂移量的2.4倍,方向相反;短焦子系統(tǒng)焦距不變。

    2)方案B2變焦組的補償量在-0.35mm~0.35mm之間,約為像面漂移量的1.7倍,方向相同;短焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為2.64%。

    3)方案B3補償組的補償量在-0.5mm~0.5mm之間,約為像面漂移量的2.5倍,方向相反;短焦子系統(tǒng)焦距最大變化率為0.58%。

    2.3 方案選擇

    齊焦設(shè)計方案的選擇可遵循以下原則:

    1)調(diào)整組遵循一定的規(guī)律;

    2)調(diào)整組越少越好;

    3)調(diào)整組的補償量越大越好(精度要求能低一些);

    4)焦距變化量越小越好。

    綜合以上分析可以看出,齊焦設(shè)計方案都有一定的規(guī)律性,補償量與像面漂移量之間都有一個近似的倍率;同時調(diào)變倍組和補償組時可以使焦距變化量為零,單調(diào)變倍組或補償組時焦距都有所變化。定長焦調(diào)短焦方式的焦距變化量小,可優(yōu)選方案B;從調(diào)焦組的個數(shù)方面考慮,可選擇方案B2和B3;從調(diào)焦量的精度和焦距的變化量方面考慮,方案B3優(yōu)于方案B2。因此,中波兩擋變焦系統(tǒng)齊焦設(shè)計最終選擇方案B3,即定長焦調(diào)短焦、單調(diào)補償組的方式。

    3 結(jié)論

    以某型載荷中波紅外兩擋變焦光學系統(tǒng)為例,介紹了共像面復合系統(tǒng)不齊焦現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和齊焦設(shè)計原則,探討了定短焦調(diào)長焦、定長焦調(diào)短焦兩種齊焦設(shè)計方案,其中每種方案又分別嘗試了同時調(diào)變倍組和補償組、單調(diào)變倍組、單調(diào)補償組3種調(diào)焦方式,總結(jié)了齊焦設(shè)計方案選擇的原則,最終確定定長焦調(diào)短焦、單調(diào)補償組的齊焦設(shè)計方案最優(yōu)。

    兩擋變焦光學系統(tǒng)的齊焦設(shè)計方法不僅適用于共像面復合系統(tǒng),對其他分像面復合系統(tǒng)的齊焦設(shè)計也有一定的參考意義。

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