【精编】双波段共口径连续共变焦光学系统设计.doc

可见光(0.38~0.76μm)、中波红外(3~5μm)双波段在各焦距处的高级像差很难校正，尤其对于双波段之间产生的垂轴色差和高级球差、彗差不易校正。由于可见、中波红外之间的中心波长差距太大，使得双波段齐焦非常困难，本次设计采用双波段齐焦理论为基础，在变倍组、补偿组及可见像差补偿组建立理想近轴薄透镜镜，使得双波段变焦光学系统在任意变焦位置处的焦距相同。双波段理想系统点列图如图~所示，在图中可以看出，红外光学部分主要存在的像差为球差和彗差，可见光部分主要存在的像差为彗差、球差、垂轴色差。(a)(b)(c)(d)图3.8可见光在短焦、中焦、次长焦、长焦处的点列图(a)(b)(c)(d)图3.9理想系统中波红外在短焦、中焦、次长焦、长焦处的点列图表3.5理想光学系统可见、红外焦距及变焦比短焦/mm中焦/mm次长焦/mm长焦/mm总变焦比可见光波段中波红外焦距差00表3.光焦度(mm-1)短焦(mm)中焦(mm)次长焦(mm)长焦(mm)补偿组变倍组前固定组从表3.5中可以看出，双波段可见、红外理想光学系统同一组态之间的焦距差值在系统的最小焦深以内，系统变倍比相同，满足设计要求。3.5三片消色差设计由理想光学系统的点列图可知，为了更好的搭建出双波段光学系统结构，对于可见光(0.38~0.76μm)、中波红外(3~5μm)光学系统，设计要求系统在同一位置可见红外之间的焦距之差小于最小焦深，并且系统的垂轴色差小于系统的单个像元尺寸，同时为了满足在不对系统进行内调焦的情况下使得可见红外同时在像面上清晰成像。为了满足系统进行消色差设计，必须满足可见光、中波红外的中心波长λ1和λ2经过光学系统时所表现出来的光焦度相等，即在不同组元上所体现的光焦度分配为：()式中，可见光、中波红外在中心波长λ1和λ2处的光焦度分别为Φ1和Φ2，系统的色散系数分别为v1和v2。，()为了有效的减小系统的色离焦问题，在光学系统的变倍组和补偿组最少适用三片不同的材料进行消色差，在两片透镜消色差的基础上引入可见光最短波长λ3使其在各个波长上的光焦度都相等。不同波长处光焦度相等的关系由公式(3.17)得：()()()将式()、()代入式()计算出λ1、λ2和λ3在总的光焦度不变的情况下，计算出每一片透镜所需要的光焦度，材料组合的选择性原则为：材料组合选择的一般性原则为：组合透镜对系统双波段的最小离焦量和绝对最小光焦度组合透镜不是最佳的透镜组组合，最佳透镜组组合的评定与所设计系统的相对孔径和视场角度有关系。能同时透过中波红外波段和可见波段材料如表4.7所示。表3.7材料性能材料可见光Nd(λ=0.556μm)中红外Nd(λ=4.2μm)材料透过光谱范围/μmALNBaF2MgF2KCLMgOIRG11IRG2IRG3ZnS_BROADCAF2表3.8双波段材料色散系数材料可见光色散系数C1中红外色散系数C2ALNMgF2KCLMgOIRG11IRG2IRG3ZnS_BROADCAF2图常用双波段材料色差系数图在对变倍组补偿组进行双波段优化设计时，最主要的是对材料的选择，在材料选择时首先考虑的是光焦度和消色差的要求，即满足三片薄透镜消色差理论，为了更好地平衡系统的单色像差，在设计的过程中尽可能的使得所有透镜的光焦度的绝度值尽可能的小，这样系统对单色像差的平衡能力越强。因此最好的消色差组合透镜为三种材料的色差系数图所围成的面积来表示，面积越大，即三种材料对于局部透镜组的光焦度越小，矫正色差能力越强。再结合双波段材料色差系数图，匹配得出变倍组用MgF2/KCL/IRG2组合消色差效果最好