二元光学内调焦望远物镜的设计

摘要：对内调焦望远物镜进行设计，利用二元透镜独特的色散特性，在提高成像质量的同时对传统结构进行简化。选取合适的初始结构，通过CODE V软件对物镜进行设计、优化及像质分析，得到成像质量颇佳的系统。在此基础上,对系统进行了调焦及优化，实现了对1.5 m到无穷远物距在分划板上清晰成像的目的。在所有变焦范围内，系统各视场在50 lp/mm处的MTF值均大于0.4，且各视场的畸变均小于0.5%。

关键词：二元光学透镜；望远物镜；内调焦

引言

物镜是整个望远镜系统中至关重要的部分，其成像质量直接影响整个系统的成像性能。传统物镜采用透镜、棱镜等折反射光学元件，由于转向棱镜引起的色差较大，因此需要对物镜光学系统进行像差矫正。传统物镜尺寸及重量都较大，不符合现今人们对于设备量轻、简单、紧凑的要求。80年代中期，二元光学的提出，为光学设计提供了一个新的思路。二元光学衍射元件不仅具有体积小、重量轻、容易复制等优点，还具有衍射效率高、独特的色散特性、灵活的设计自由度、宽广的材料选择性等优点。利用二元透镜独特的色散性能，矫正系统的色差，同时简化系统。随着制作工艺的迅猛发展，其衍射精度和效率大大提高，使得这种想法变得可行。本文运用新型折衍混合物镜设计方法，在有效提高像质的同时，简化了系统结构。

1 二元光学的色散特性

传统光学元件的色散主要由它的光学材料决定，一般由色散系数p和阿贝数v来表示。而对于衍射光学元件来说，它的色散主要由波长引起，与材料无关。所以衍射光学元件可以用于折射光学系统中，用来同时矫正球差和色差。传统光学元件与衍射光学元件的光学特性如表1所示，衍射元件在实际工作波长λ时的焦距可表示为：

 （1）

式中，λ0为二元衍射光学元件的设计波长，f0为二元衍射元件对应λ0时的焦距。由式(1)及表1可以看出，二元光学元件的色散与玻璃材料无关，仅与波长有关，且衍射透镜的色散与波长成反比。二元透镜的阿贝数与传统玻璃的阿贝数符号相反，这两个特性非常有利于色差的校正。所以采用折衍混合系统能很好地进行色差校正。

成像型二元光学元件具有轴对称的表面轮廓，其相位函数表达式为：

 （2）

式中，A1、A2是衍射面的面形系数，r是透镜径向坐标。

对于设计波长为λ0，衍射级次m=1的二元器件，其近轴光焦度由相位函数中的二次项系数A1给出，即：

二元光学元件在系统中所承担的光焦度非常小，光焦度主要由折射元件承担。

2 望远物镜的设计

2.1物镜初始结构

本文在设计初期，选取了一个传统望远物镜作为初始系统，其结构如图1所示。初始物镜前组采用一个单透镜和一个胶合透镜组成的胶合分离式结构，此结构具有较多的自由度，可以有效减小高级像差，成像质量较好，且装配较为简单。采用一个双胶合透镜作为调焦镜对不同物距处的物体成像。转向棱镜把倒像转正，在设计过程中等效为平行平板。物镜系统将远处物体成像在分划板上，要求在分划板上能得到清晰的像。

图1.初始结构示意图

其主要性能指标如表2所示，转向棱镜的长度取41.5mm，材料为K9玻璃。

表2 物镜性能指标

2.2 无穷远物镜优化及像质分析

初始系统采用胶合分离式物镜，其成像质量较好，但结构较为复杂。本文的目的是通过使用二元衍射面的衍射特性，来简化物镜结构。物镜前组使用单个胶合透镜，胶合透镜的后表面是一个二元光学表面，将物镜的曲率、厚度、材料设置为变量，进行优化。由于二元衍射表面增加了设计的自由度，同时衍射表面有着不同于传统玻璃的色散，有助于色差的校正。图2为带二元衍射面双胶合物镜系统对无穷远物体成像时的MTF曲线，图3为其畸变图。

图2.带二元光学衍射面的双胶合物镜系统的MTF

图2.带二元光学衍射面的双胶合物镜系统的畸变

......

4 结论

设计了适用于工作波段为8~12μm的红外目标模拟器的光学系统。在设计时利用光路可逆的原理，将光学系统的工作方向与设计方向相反。系统具有大入瞳距，大入瞳口径，大视场，结构复杂的特点，在像差校正过程中引入了非球面以进一步校正像差。该红外目标模拟器具有能量集中，空间分辨率高，动态范围宽等特点，能很好地应用于红外武器的测试。