復(fù)消色差的短波紅外望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)

摘要：分析計(jì)算了一些普通光學(xué)玻璃及晶體光學(xué)材料在0.9~2.5μm短波紅外段的色散特性．在遠(yuǎn)距型的物鏡結(jié)構(gòu)后組中采用的厚彎月鏡能產(chǎn)生一定量的反向色差補(bǔ)償前組中的二級(jí)光譜，所設(shè)計(jì)的物鏡在焦距800mm時(shí)的帶孔徑處最大色差0.13mm。結(jié)果表明，采用氟化物玻璃與重火石玻璃的三片式組合在短波紅外段具有較好的消色差能力。

0 引言短波紅外成像技術(shù)在夜視偵察與監(jiān)視、遙感遙測(cè)系統(tǒng)、紅外成像制導(dǎo)及光電對(duì)抗等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。透射式光學(xué)系統(tǒng)可以全部采用球面面形而具有加工工藝簡(jiǎn)單，裝配調(diào)整容易和工程實(shí)現(xiàn)度高造價(jià)低廉的特點(diǎn)，從而使其有著廣泛的應(yīng)用，但透射式物鏡在譜段較寬焦距較長(zhǎng)時(shí)，二級(jí)光譜成為影響其像質(zhì)的主要因素，因而必須對(duì)其加以校正以提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。

普通光學(xué)玻璃從0.4~2.0μm都有較好的透過(guò)率，一些重火石玻璃在2.0~2.5μｍ段也有相對(duì)較高的透過(guò)率，在0.9~2.5μｍ的短波紅外的譜段區(qū)間，常規(guī)光學(xué)玻璃的色散有著特殊的變化，普通光學(xué)玻璃對(duì)的組合難以實(shí)現(xiàn)對(duì)色差的校正，因而在這一區(qū)間，應(yīng)當(dāng)選擇具有高透過(guò)率，合適色散性能的光學(xué)材料以實(shí)現(xiàn)該譜段光學(xué)系統(tǒng)色差校正。

1.短波紅外消色差材料的選擇光學(xué)系統(tǒng)色差校正的重要手段之一就是利用光學(xué)材料的不同色散性能進(jìn)行合理的光焦度分配，通常情況下，透射式光學(xué)系統(tǒng)由若干個(gè)正光焦度和負(fù)光焦度的鏡片組成，在可見(jiàn)光波段進(jìn)行色差校正時(shí)往往用色散小的冕牌玻璃作正透鏡，色散大的火石玻璃作負(fù)透鏡，但這兩種類型的玻璃在短波紅外波段其色散特性發(fā)生變化，采用這種方法不能有效地校正色差。表1計(jì)算并給出了 常用的幾種光學(xué)玻璃（SHOTT）在可見(jiàn)光波段及短波紅外波段的色散差別。

表1.幾種冕牌玻璃和火石玻璃的色散特性 在可見(jiàn)光譜段，冕牌類玻璃具有較低的色散（υ值較大），火石類玻璃具有較高的色散（υ值較?。蕉滩t外波段冕牌類玻璃色散變大并接近火石類玻璃甚至高于火石類玻璃，同時(shí)在2~2.5μｍ 波段普通光學(xué)玻璃的透過(guò)率逐漸降低，也會(huì)使光學(xué)系統(tǒng)性能下降。 一些氟化物玻璃在短波紅外段有較高的透過(guò)率，其色散特性不同于常用的光學(xué)玻璃，表2計(jì)算并給出了這些氟化物玻璃的一些光學(xué)特性，表中同時(shí)也列出了一些在短波紅外段有較高光學(xué)性能的光學(xué)晶體材料的相關(guān)特性。對(duì)于ZnSe、ZnS而言，不同的工藝方式得到的材料在短波紅外段的透過(guò)率會(huì)有很大的不同，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。

表2.一些氟化物玻璃的特性 （含其它光學(xué)材料）

氟化物玻璃從紫外到紅外有著很寬的透過(guò)范圍，值得注意的是在紫外可見(jiàn)段有較小色散的一些氟化物晶體到紅外段色散變大，因而在近紫外段能校正色差的氟化物玻璃組合在短波紅外段卻不適用。CaF2、SrF2 和BaF2這三種氟化物玻璃具有較低的色散（色散系數(shù)υ值較大），可作為消色差時(shí)正透鏡使用的材料，可作為負(fù)透鏡使用的高色散材料（色散系數(shù)υ值較?。┛瓷先ビ懈嗟倪x擇：F-silica、AL2O3（Sapphire）、ZnSe和ZnS以及在紅外段有較高透過(guò)率的SCHOTT光學(xué)玻璃PK52、SF4、SF6等。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例目前常用的光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)方法是選用已有的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)參量采用置換玻璃的方法直接優(yōu)化，但在近紫外波段和短波紅外波段，由于可選用的光學(xué)材料少這種直接換玻璃的方法并不十分有效，因而一個(gè)透鏡的設(shè)計(jì)仍然需要從基本的結(jié)構(gòu)型式出發(fā)分析系統(tǒng)的特點(diǎn)求解其結(jié)構(gòu)參量。2.1光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)望遠(yuǎn)物鏡一般具有較長(zhǎng)的焦距，為了縮短物鏡的尺寸，常采用遠(yuǎn)距型結(jié)構(gòu)，這種物鏡的一種基本結(jié)構(gòu)形式如圖１。前組具有正的光焦度，后組具有負(fù)的光焦度。

圖1.遠(yuǎn)距型物鏡的基本結(jié)構(gòu)型式

圖2.后組中采用背向光欄的厚透鏡

圖3.復(fù)雜化后的遠(yuǎn)距型物鏡結(jié)構(gòu) ...... 3 小結(jié)及討論 在短波紅外0.9~2.5μm可用于校正色差的玻璃組合并不是很多，一些氟化物玻璃在該譜段具有較高的色散系數(shù)及相對(duì)較好的理化性能，因而是在該譜段消色差材料的首選。雖然低色散系數(shù)材料有更多的選擇，但重火石類材料與氟化物玻璃組合有較好的消色差能力。 在遠(yuǎn)距型的物鏡結(jié)構(gòu)中前組采用光學(xué)玻璃SF6、CAF2和BAF2三片式組合，后組采用一帶有厚彎月鏡的兩片式結(jié)構(gòu)達(dá)到了復(fù)消色差的設(shè)計(jì)結(jié)果，所設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)物鏡在焦距800ｍｍ，相對(duì)孔徑1/5.6時(shí)帶孔徑的最大色差0.13ｍｍ，視場(chǎng)角10°時(shí)的像質(zhì)接近衍射極限，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。

審核編輯 ：李倩