（测试计量技术及仪器专业论文）微光准直系统设计.pdf

摘要 某某微光瞄准镜是集光、机、电于一体的夜视仪器，对其可靠性要求很高， 相应的对可靠性试验设备的性能要求也很严格，以便准确完成微光瞄准镜可靠性 的各项试验任务。依据新配置的光应力系统试验要求，需设计一套大视场、竟光 谱、长焦距的微光准直物镜。本文提出了微光准直物镜的光学设计方案，重点讨 论了其二级光谱校正及像差平衡问题，修正特种玻璃在宽谱段下的p 、v 值，应 用z e 豫x 软件，给出了微光准直系统物镜较完善的设计结果，满足了系统像质要 求。同时，对物镜的结构提出了设计方案及其加工、装配要求。微光准直物镜总 体性能达到了预期指标的要求。 关键词：微光准直物镜；可靠性试验；宽光谱 a b s t r a c t a b s t r a c tn i g h tv i s i o nc o l l i m a t i n gl e n si sc o m p o s e do fo p t i c 、m a c h i n e r ya n d e l e c t r i c i t y t oc o r n p l e r et h et e s t i n gm i s s i o no fn i g h tv i s i o nc o l l i m a t i n gj e l l s , t h e r e l i a b i l i t yo f i ti sv e r yh i g h ，c o r r e s p o n d i n g l y ，t h et e s t i n gd e v i c e so fr e l i a b i l i t ya r es t r i c t b a s e do nt h en e wc o n f i g u r a t i o no fo d t i cs t r e s ss y s t e m ，w en e e dt od e s i g naw i d e b a n d sa n dl o n gf o c a ln i g h tv i s i o nc o l l i m a t i n gl e n s t od e s i g nt h ew i d eb a n d sa n dl o n g f o c a ln i g h tv i s i o i lc o l l i m a t i n gl e n s ，也ep r o b l e mo ft h ei n h e r e n ts e c o n d a r ys p e c t n l m w i t ht h ec o l l i m a t i n gl e l l sw e r ed i s c u s s e d , t h ef o r m u l a sw h i c bu s e dt oc a l c u l a t et h ep v a n dvv a l u e so fs p e c i a l 酉a s sw e r em o d i f i e d , t h ep r o c e s so ft h ed e s i g nw e r es h o w e d 1 1 ”d e s i g nm a k es e c o n d a r ys p e c t r u ma t0 1 m ma n do t h e ra b e r r a t i o n sw e r ea l s o b a j c a n c e d 砷er e s u l to ft h i sd e s i g ni sw e l le n o u 【g ht om e e tt h ew h o l es y s t e m n d k e y w o r d s ：c o l l i m a t i n gl e n s ；r e l i a b i l i t yt e s t i n g ；w i d eb a n d s 长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，微光准直系统设计是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：丝生扩年五月丑日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 储签名：篮擀幽约 指导导师签名： 拯巷盘蛑立月丑日 第一章绪论 1 1 课题的来源及必要性 “微光夜视仪可靠性试验配套设备”属某某“十一五”规划项目。于“九五” 末期研制的试验系统，是依据g j b 2 4 2 2 - - 9 5 要求与国产微光夜视仪的技术性能 要求，研制出国内第一台全自动微光夜视仪可靠性试验设备。该设备由光应力系 统、电应力系统、振动应力系统( 外购) 、电源与控制系统以及监控系统等组成。 现已成功地完成常温状态下多品种、多批量微光夜视仪的可靠性试验任务。 原微光夜视仪可靠性试验设备研制当时，没有考虑配置温度应力、强闪光等 试验应力的施加系统。此外还需补充大视场微光夜视仪的试验条件。这与国军标 要求的可靠性试验剖面有一定的差距。配套改造后的微光夜视仪可靠性试验设备 可提供完全满足国军标对可靠性试验条件的要求，使可靠性试验考核结论更为客 观、科学。这对全面提升微光夜视仪可靠性试验能力，深入开展可靠性试验研究 均有重大意义。 1 2 微光夜视仪发展概况 直视型微光夜视系统是一种充分利用夜间天光，通过像增强技术，使人眼能 够观察低照度目标的系统，简称微光夜视仪。继红外夜视仪后，它已成为夜视技 术发展的重点对象，并首先在军事上得到发展和应用。目前，微光夜视仪已经广 泛用于夜间观察、架桥、布雷、蛙人水下作业等。 夜视器材的发展空前提高了夜战能力，主要表现为以下几个方面：夜问侦察 识别能力大大提高，夜视器材的使用，使人眼在天光下可发现几百米外运动的人 或物，从而提高部队在暗夜的行动能力和射击命中率；提高了夜间机动与协同能 力。美军资料表明，一个坦克排不使用夜视仪器，夜间一次跃进的标准距离为 1 5 0 m 2 0 0 m , 使用夜视器材后，一次跃进的标准距离为4 0 0 m 7 0 0 m ，速度明显 增加，步炮协同、步坦协同和空地协同的能力也因此大为提高。高技术夜视器材 的大量装备使用，使昼夜的差别变小，夜战将变得更加频繁。 自六十年代发展微光夜视以来，直视微光夜管发展可分为三代。 ( 1 ) 第一代微光管 1 9 5 5 年，a s o m m e r 发现，若将n a 2 k s b 双碱光阴极进行处理，所形成的 n a 2 k s b ( c s ) - - 碱光阴极( s 2 0 ) 具有很高的灵敏度，且在可见光波段直到近红外有 很好的光谱响应，这一新的光电发射体使低照度下图像增强成为可能。五十年代 末期k a p a n y 发明的纤维光学和五十年代初期e s c h a g e n 研究的同心球电子光学 系统。到了6 0 年代中期，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联偶合的像 增强器闯世，这被称为第一代像增强器( 一代管) 。极微弱的目标图像通过光学系 统成像在纤维光学输入窗上，传输到光阴极，同心球型的电子光学系统将来自光 阴极逸出的光电子加速聚焦到荧光屏上，形成可见光的输出图像，图像通过纤维 光学传输到下一级。这样经过三级增强，使一代管具有很高的增益，从而可以在 微光下“被动”工作。对于一个夜视望远系统，大口径物镜所捕捉的光能通过像 增强器进一步增大了射入人眼的光通量，由于视网膜上的照度被提高，所获得的 信息流也就增高，提高了眼睛的分辨能力，便能看到比较清晰的外界微光图像。 实际上，一代管的笨重臃肿是由三级级联引起的，每一级具有畸变和渐晕以及荧 光屏的余辉，由于前后级级联间光纤的串光引起图像的模糊，从而难以提高其清 晰度，由此引起的防强炫光性能差是最大的缺点。 ( 2 ) 第二代微光管 第二代像增强器的研究始于6 0 年代，是从探索新的电子倍增器件m c p ( 微 信道板) 开始的，为了克服第一代管的缺点，人们经过十余年的探索，于7 0 年代 初成功研制了能实现电子倍增的二维组件一微信道板，它由上百万个紧密排列的 空心信道所组成，信道芯径间距约1 2 u r n ，长径比为4 0 6 0 ，对于l g m m 有效直 径的m c p ，约有1 3 0 万根信道( 每平方米内约有5 0 0 0 根) 。通道板的两个端面镀 镍，构成输入和输出电极；通道的内壁具有较高的二次发射特性，入射到通道板 的初始电子在电场作用下使激发出来的二次电子依次倍增，从而在输出端获得较 高的增益。利用m c p 的像管称为第二代像增强器( 二代管) ，它具有两种聚焦型 式：一是锐聚焦，它类似于单极一代管，在管予的荧光屏前安置一微通道板，称 为倒像管；- - 是近贴聚焦，微通道板被贴近放置在光阴极和荧光屏之间，荧光屏 制在纤维光学面板或光纤扭像器上，称为二代薄片管。 ( 3 ) 第三代微光管 1 9 9 8 年初，美国的夜视眼镜生产厂家利顿电光系统公司，通过采用能大幅度 减少离子反馈的新型商性能玻璃制作微信道板，以及采用能减少离子反馈的光电 阴极的自动门控电源，成功地制造出采用不镀膜微通道板的、工作寿命可与采用 镀膜微通道板的标准三代管相当( 1 0 0 0 0 小时) 的像增强器，被称为第三代像增强 器。自动门控电源的工作原理是：与连续直流电源不同，加在光电阴极上的自动 通断的电压是脉冲式的，即电源感知进入像管的光通量，自动高速接通和切断， 通断的频率在光照强时较高，光照弱时较低，以在光照极强时减少进入微通道板 的电子流，减少其饱和。使用者始终看到均匀一致的图像，自动门控允许像管在 白天照明区域仍产生对比度良好的高分辨率影像，而不产生模糊的影像。三代像 增强器的这种特性对于飞机和车辆驾驶员来说特别重要，驾驶员在村庄上空飞行 2 或在附近亮度比较高的发射体或在战场上的各种光照条件，使用三代像增强器， 驾驶员等就可以不必摘除夜视眼镜，同时还可以有助于减少车灯等明亮光源产生 的晕圈或影像模糊效应。 1 3 国内外夜视仪可靠性研究现状 1 3 1 国外研究现状 随着微光夜视仪的发展，开展了相关可靠性的试验研究，制定了可靠性试验 军标，研制了可靠性试验装置。所有批次夜视仪装备均需在可靠性合格后方可交 付军方使用，m t b f ( 平均无故障时间) 对保障装备夜视仪战力起到至关重要的 作用。近年来陆续研制出了大视场的二代半或三代微光夜视仪。同时，微光夜视 器件及仪器性能的检测采用标准a 光源( 2 8 5 6 k ) ，通过野外实验来修正。在光源 照度和分辨力靶的对比度方面，也考虑了野外条件模拟。 1 3 2 国内研究现状 ( 1 ) 国内也开展了夜天光模拟研究，不仅模拟了夜天光的光度特性，而且模 拟了典型夜天光的光谱分布，以实现实验室微光夜视仪器实战条件模拟，从而更 精确地测量微光夜视器件及仪器性能。通过对相关资料检索发现，国内研制出的 星敏感器单星模拟光源系统能对单星进行亮度模拟，以确定单星的星等( 未考虑 光谱模拟) ( 2 ) 可靠性试验设备的研制、试用：国内九十年代已着手微光夜视仪可靠性 的试验研究，并制定了国军标g j b 2 4 2 2 9 5 标准。之后，生产厂家开展了部分可 靠性试验。2 0 0 1 年，国内第一台全自动微光夜视仪可靠性试验设备“微光夜视 仪可靠性试验设备”亦交付使用。近期随着国军标g j b 2 4 2 2 - - 9 5 的修订完善，可 靠性试验剖面做了相应的改动；同时，原设备需增添新试验功能。目前，正招手 微光夜视仪可靠性试验配套装置的研制，以满足微光夜视仪可靠性试验的要求。 1 4 试验要求及研究内容 微光瞄准镜的可靠性试验是以指数分布为基础的定时截尾试验，它有以下几 个特点：其试验方案的鉴别比为2 3 ，以指标规定的m t b f 为试验可按受下限 值，因而试验周期长；试验过程要求的试验条件均为暗室，为排除人为干扰造成 的从属故障，要求试验装置的自动化和智能化程度高，同时对应力水平的控制精 度和同步性都有很高的要求；试验监测、结果判断和评定要求精确。 枪用微光瞄准镜可靠性试验按照g j b 2 4 2 2 - - 9 5 枪用微光瞄准镜定型试验方 法的要求进行。试验的应力包括：光应力、电应力、振动应力、强闪光和温度 应力试验等。 本试验中，在旌加了光应力、电应力、振动应力、温度应力和强闪光的情况 下，对枪用微光瞄准镜进行检测，监测系统的工作状态，实时判断故障。判断标 准就是国军标g j b 2 4 2 2 _ 9 5 中试验方法5 0 0 系列的规定。 其中光应力分系统是可靠性试验设备的一个重要组成部分，它为被试瞄准镜 提供特定照度的微光目标。该目标经被试微光瞄准镜在其像增强器的荧光屏上成 像。c c d 摄像机位于瞄准镜出瞳处监测其工作状况，并通过图像采集卡、计算 机对图像信息进行监测。本文将重点对可靠性试验设备中新增设的光应力系统进 行方案确定和光学设计。 包括： ( 1 ) 光应力系统及监控方案：采用积分球作为光源，利用检测系统来保证光 源的均匀性； ( 2 ) 大视场、宽谱段物镜光学设计：为了配合新型号微光夜视仪试验，要求 微光准直物镜口径6 0 m m ，焦距f = 5 0 0 m m ，视场2 0 。该物镜属大视场、长 焦距、宽谱段( o 4 8 6 t t m 0 8 6 3 t t m ) ，微光准直物镜对像质要求很高且对全谱段进 行复消色差； ( 3 ) 大视场、宽谱段物镜结构设计：准直物镜的结构是保证物镜优良像质的 重要因素，结构应确保各镜片的间隔准确、各镜面曲率中心共轴( 光轴) 、尽可 能消除装卡应力：同时应保证物镜光轴与机械配合面几何轴共轴；轴向定位面( 基 准面) 位置准确；物镜组件与准直物镜联结时，物镜光轴应能调至与管筒轴线一 致； ( 4 ) 校检方法研究及m t f 像质评价：像质评价是光学系统像质检测的核心 本文采采用了光电傅立叶分析法，它的光栅制作较为容易，同时测量精度也较高。 4 第二章光应力试验系统的配套装置 2 1 光应力的配套要求 光应力配套方案涉及到原微光夜视仪可靠性试验设备的光、机、电、算及软 件编程等诸多系统，因此方案的确定必须考虑周全、实用。首先应按修改后国军 标规定的试验剖面图要求，结合新研制的微光夜视仪的技术指标需求，逐一落实 配套的内容、技术指标及相关要求。其次，应尽可能利用原可靠性试验设备功能， 将配套系统与原试验设备作为总的试验系统综合考虑，进一步优化配套研制方 案，以保持试验设备的特点与优势【l 】1 2 j 1 3 1 。 2 2 光应力的配套方案 ( 1 ) 配套的大视场光应力源 利用原设备光应力源系统，即利用大积分球的四个由1 8 0 m m 出射光孔，配置 四套宽光谱物镜( 巾6 0 m m 、焦距f 5 0 0 m r n 、全视场2 0 4 ) ，其配套支座可共 用原试验设备的导轨，以便更换不同视场的光应力。大视场宽光谱物镜的光学系 统框图如图2 1 所示。 图2 1 大视场物镜的光学系统框图 这样分别利用原设备的物镜及新配套的大视场物镜，就可满足全部夜视仪对 光应力的需求。由于共用同一大积分球，可确保四组光应力源的一致性。 ( 2 ) 强闪光应力系统 强闪光用于模拟战场上枪炮射击、弹药爆炸等强光状况。为此需在积分球出 口附近配置四套点状强闪光装置。当试验需要时，通过传动机构可将强闪光装置 移至准直物镜焦面处，并选用适当大小的光阑，使被试微光夜视仪物镜得到无限 远的视角约1 个密位、光强度约2 0 c d 的点状强闪光。强闪光的闪光频次，每次 闪光时间可由监控系统实施控制。 2 3 温度应力试验时的光应力施加 温度应力系统配置的高低温试验箱，因涉及到与被试微光夜视仪匹配的出、 入窗口、联结方式及监控等诸多闯题，故应配置可靠性试验设备专用试验箱。温 度应力系统的方案原理框图如图2 2 所示。 图2 2 温度试验时施加光应力的原理框图 光应力源备有两套( 各四组) 准直物镜，可依据被试微光夜视仪的技术指 标要求选定并与原试验设备的积分球对接。四具被测微光夜视仪置于高低温试验 箱中，通过箱内的四具调节支座，可将被试品调至与准直物镜共轴。所需的光应 力，通过高低温试验箱的入射窗口( 需加热防霜) ，施加到放试微光夜视仪物镜 中。被试微光夜视仪的故障图像信息通过高低温试验箱的出射窗口( 或用高分辨 率的传像光纤) ，再由室温状态下的c c d 摄像机接收并传送至故障图像监控处理 系统。试验所需的电应力通过专用导线施加到微光夜视仪上。 本方案的特点是只有被测试微光夜视仪与相应的调节支架放置高低温试验 箱中，便于温度控制与试验调节。所加温度试验箱的布设方式与原试验设备协调、 紧凑。 6 2 4 试验设备的工作过程 在电源启动时，安装在大、小积分球对接处的光电探测器探测照明灯的发 光，探测器将光源的光信号转变成电信号，经过放大器电压跟随器送入电器箱并 显示光强值，调节灯座位置使光强度值与标称值一致，则灯丝位于积分球的中心。 光源发出的光经小积分球漫射后经出射孔出射，出射孔口径有四种，分别对应四 种光照度。射向带有法兰盘( 可以从积分球顶部的定位孔中方便抽出) 通光孔的大 积分球内的光经大积分球的多次漫反射后，形成均匀的光照度，由四个出射孔射 向带有分辨率板的准直物镜形成平行光，这就是微光瞄准镜工作的微光环境的模 拟光。被试瞄准镜物镜处光照度值应由选定的闪光有效光强测定仪定期采样检 测。试验过程中，由于光应力源的传输通道的参量是不变的，而被试瞄准镜物镜 处光照度值的稳定性监测值又是个相对值，故对其稳定性监测，可改由小积分球 出口处附近的光照度值稳定性的监测来替代，还可借助在小积分球靠近出口处的 内壁上放置光电二极管实现，光电二极管将光强转变为电信号，经8 b i t 的a d 采集，使其精度与采集频率满足监测指标要求。试验需要的照度等级由步进电机 通过传动齿轮带动光阑承板绕轴系转动实现。瞄准镜的光探测器对准准直的物 镜，c c d 摄像机位于瞄准镜出瞳处，瞄准镜监测其工作状况，摄像头把被试品 的图像转换为视频信号并送到图像采集卡与处理计算机以内，计算机同时摄取和 处理四路微光瞄准镜图像，通过图像处理、自动判别、提取图像故障黑斑、亮点、 闪光和忽明忽暗，实时记录故障图像，并且能在试验结束后进行处理和回放。 7 第三章二级光谱校正方法 本章主要讨论校正二级光谱的几种方法。 3 1 用普通玻璃校正二级光谱 3 1 1 校正器二级光谱的基本思想 该校正二级光谱的方法是由c g w y n n e 提出的。他是利用物镜各组元普通玻 璃的色差正负满足特定关系，通过物镜复杂化来改善二级光谱。利用这一原理可 实现完全采用普通玻璃校正二级光群1 4 1 1 5 l 【1 6 1 2 2 1 。 3 1 2 二级光谱的组成 物镜系统的二级光谱是由衍生二级光谱c ，和本征二级光谱c 0 组成的。 图3 1 衍生二级光谱 如图3 1 所示的光组，前组有色差，则c 光和f 光在后组的入射高度 c 和k 己不再相等，因而光焦度也不相等，于是产生衍生色差。由衍生色差产生的二级 光谱称为衍生二级光谱c 。，。 由于每一组元对于给定不同波长光的光焦度不等而形成的色差为本征色差。 由本征色差产生的二级光谱称为本征二级光谱c n f 。作为一种较完整的色差理 论，应是本征量和衍生量两部分所组成，其中包括色差、二级光谱以及初级与高 级色差。通常衍生二级光谱比本征二级光谱要小得多，它仅占物镜需要校正的二 级光谱量的很小一部分。如果仅靠衍生二级光谱来校正二级光谱，势必导致结构 更加复杂化，同时也会给像差校正带来难以克服的困难。c g w y n n e 采用二级光 谱校正器，只利用衍生二级光谱分离的透镜系统校正二级光谱。因此按照完整的 色差理论，设计的复消色差系统比按c g w y n n e 理论设计的结构要简单。 3 1 3 = 级光谱校正器的应用 实际中的二级光谱校正器常用特殊玻璃，其色散特性对校正二级光谱很有好 处。如零光焦度复消色组元，它们由折射率、阿贝数相同，但部分色散不同的特 殊玻璃组成双胶合或三胶合结构。这样的组元被放入到一个分离的透镜组中，来 减少二级光谱而对其它已校正好的像差无影响( 一些重火石玻璃可用在这种场 合) 。 如图3 2 所示，在由b k 7 、f 2 构成的消色差双胶合后加入s f 8 、t i f 6 胶合组， 能使原消色差物镜变为复消色物镜。s f 8 、t i f 6 胶合组就是一个二级光谱校正器， 它与物镜的间距为物镜焦距的6 7 ，且对原物镜或系统焦距都没有影响。 图3 2 零光焦度二级光谱校正器 这种双胶合、三胶合校正器比用普通玻璃做的校正器结构要简单的多，尺寸 也更小。 二级光谱校正器是能产生固定二级光谱值的透镜组，由于它的光焦度为零， 理论上可以放在物镜后任意位置，而不改变系统的焦距特性。使用特殊玻璃作校 正器，应尽量放在离前物镜较远处，以减小它们的尺寸。实际中，二级光谱校正 器会带有少量的负光焦度，而这是比较愿意看到的结果。 上述方法实质是将二级光谱的校正孤立出来，以免与系统的其它像差相混。 实际应用的光学系统常常把自身轴上色差相当大的各个组元予以适当的分离。如 三片型中各片保留较大的色差，则在结构不致过分复杂化的情况下可以改善二级 光谱。利用上述方法也有可能消除二级光谱。 3 2 等效玻璃法校正二级光谱 3 2 1 等效玻璃的概念 二级光谱表达式方法为鸭 2 寺粪掣叫饕i 叫1 ， h “ - l r 一7 2r 1、 可看出二级光谱与部分色散p 和阿贝数v 有密切的联系，现以二者为坐标轴 标示出各种待选玻璃，如图3 3 。此时连接两个真实玻璃点的直线模拟一个并不 9 存在的玻璃即等效玻璃。等效玻璃可看作是一个和双透镜有相同焦距，相同位置 色差的透镜。若双透镜光焦度、色散系数和相对部分色散以仍，仍，嵋，y ：，p ，p ： 表示，而等效玻璃的相应量分别以；和；、一p 表示，则有 里：堕+ 堕 v v iv 2 歹= 仍+ 仍 f 二：e 盟+ p 堕 乒v lv 2 f ：曼量可+ 1 2 马二垡 ( 3 2 ) v 2 - - v i v 2 一v t 可以看出，；和石是线性相关的，等效玻璃相当于过点( p 。，u ) 、( p ：，y ：) 的一条直 线，起始点纵坐标为( v 2 p l v l p 2 ) ( v 2 一h ) 。 3 2 2 等效玻璃法的使用 用三种玻璃校正二级光谱相当于由定点向一条直线引平行于v 轴的直线，同 一p 值的玻璃，其v 仍然很小，故使玻璃选择和应用受到限制。为更多的使用 普通玻璃，可把两块等效玻璃组合起来。即将p v 图上的二线段延伸成为二直线， 因此增大了v 值，从而可得出一些新的设计结果。等效玻璃法的p - v 图如图3 3 所示。 p p 图3 3 等效玻璃法的p - v 图 图中3 3 ，a 和b 玻璃组成的等效玻璃在a b 线上。同样c 和d 玻璃组成的 等效玻璃在c d 线上。平行于v 轴的直线和a b 、c d 线的交点e 和f ，就是消二 1 0 级光谱所要求的两块等效玻璃。显然，这样的等效玻璃是许许多多的。但为使玻 璃的光焦度尽量小，希望v 差都越大越好，因此反映在p 叫图上选玻璃时，应尽 量满足：两条直线a b 、c d 的夹角越大越好；由a 、b 、c 、d 包围的面积，或 两条直线交叉所围三角形a a o c 和a b o d 的面积和越大越好。 3 2 3 等效玻璃法举例 以三片型物镜为例进行说明，此物镜要同时校正场曲、色差和倍率色差。两 个正组的c l 等于负组的c i ，并反号。对c 、f 光消色差，取d 光为中间波长光。 正组产生负色差，负组产生正色差。 按玻璃表，在p v 图上，以等效玻璃法选出以下两对普通玻璃： z k 7 ：n n = 1 6 1 3 ，7 2 6 0 5 7 3 1 ，p = 0 7 0 4 5 4 5 ： z f 2 ：= 1 6 7 2 5 ，。3 2 2 2 7 3 ，p = 0 7 1 7 2 9 8 ： 另一对玻璃为： k 4 ：n d = 1 5 0 7 9 5 ，2 6 1 0 5 1 7 ，p 卸7 0 0 7 2 1 ： z f 7 ：n n = 1 8 0 6 ，2 2 5 3 6 1 9 ，p = 0 7 2 1 8 3 8 ： 图3 4 应用等效玻璃法的三片型物镜 两对普通玻璃在p v 图的位置如图3 5 所示。 一蕊 搿两蝌茵舯孑m龃 舔 图3 5 等效玻璃位置图 等效玻璃法能够实现用普通玻璃校正二级光谱的目的。使用特殊玻璃时也可 使用等效玻璃法，这会给玻璃选择有更大的余地。 3 3 二元光学元件校正二级光谱 3 3 1 二元光学元件与色散 二元光学元件是一种纯位相型的衍射光学元件，是用计算机设计的尺寸为波 长级的二元图形并用微细加工技术制作的光学元件。二元光学元件在改善系统像 质、减小体积等多方面有较大优势l t 2 1 3 1 l p 2 l 【3 3 u p 4 。 二元光学透镜( b i n a r yo p t i c sl e n s ，b o l ) ，可以与普通光学材料结合。利用 其色散和波长有关的特性以简单结构来校正二级光谱。二元光学元件的等效阿贝 数和相对部分色散为 v 艚= 一厶c k 一以) 搬2 仇一厶) 0 s 一如) ( 3 3 ) 其中厶为参考波长，五和五分别为短波和长波波长。e h j ：式可见，元件的 色散仅由所用波长决定，与基底材料无关。当取参考波长为d 谱线，消色差波 长为c 、f 谱线时，可得= - 3 4 6 ，p = 0 6 0 6 3 ，将二元光学元件作为一种等效 光学玻璃，在其色散特性在矿v 图位置，如图3 6 所示。 图3 6 二元光学元件和玻璃的色散特性比较 可见，b o l 的散特性非常特殊。如把二元光学元件的坐标点与任一种玻璃 的坐标点连起来，其连线的斜率都大于玻璃正常线的斜率( 绝对值) 。由此得出 结论：由二元光学元件与折射透镜所形成的二级光谱大于双胶合透镜的二级光 谱。由于衍射面具有与正透镜相反的色差。故通过折衍面光焦度的合理分配，二 元光学元件可在无负光焦度的情况下实现消色差。同时可降低系统的高级像差， 衍射面可方便地实现任意形状的波面，为光学设计提供新的自由度。 3 3 2 用二元光学元件进行复消色差 混合单透镜可视为一种等效玻璃，将它和另一种适当的玻璃( 两个折射元件) 组合起来，可以用来校正二级光谱。 f 蜀+ 岛+ k 8 = k x l k + k 2 + k 。= 0 【k l p , r , + k 2 只砭+ x 口e , v 口2 0 ( 3 4 ) 式中k ，、k 2 ，v l 、v 2 ，p l 、p 2 分别为两折射元件的光焦度、阿贝数和相对部分色 散。当给出了总光焦度k ，选定了两折射元件材料以后，就可解出三个元件的光 焦度k l 、k 2 、k b 。 混合三元件结构是实现复消色差的最简单结构。但采用二元光学，目前受加 工、成本等限制。我们只采用了传统的纯折射式结构。随着技术的不断成熟和普 及，相信二元光学的设计将逐渐展现它的优越性。 3 4 基于s l 图校正二级光谱 3 4 1s l 图 光学材料的折射率取决于工作波长，而二级光谱是由材料折射率随波长的变 化造成的。引入规化位置色差系数l ( 1 v ) 和规化二级光谱系数s ，就得到对材料选 择具有指导意义的s - - l 图【2 1 】【2 7 l f 2 司。 下面分析如何使用s l 图，获得最小光焦度的复消色差设计。 3 4 2 双透镜s l 图求解 对于双透镜，若令由1 o = a ，巾2 o = b ，则可得到下列关系 1 = a + b 三= 础i + 配2 ( 3 5 ) s = d s l + b s 2 当一组密接双透镜完全消位置色差和二级光谱，即l _ o ，s = 0 时，厶岛一s l 2 = 0 。复消色差透镜的l 、s 图如图3 7 所示。z l 、z 2 分别表示 密接透镜组中两个透镜的位置。该透镜组满足复消色差条件是必须选择过原点的 z 1 z 2 直线上的两种材料，构成正、负透镜组合。上述的两种材料实际上很难选。 但可选用两组双透镜使其产生的二级光谱互为抵消，如图3 7 所示的z 3 、z 4 与 z 5 、z 6 两组双透镜。这在实际设计中是可能的。 图3 7 复消色差双透镜的s l 图 3 4 3 三透镜s - - l 图求解 对于三透镜系统，若令由1 中；a ，m2 ，中= b ，巾3 中= c ，同样得 1 = a + b + c l = n + 眈2 + 如 。s = 舔i + b s 2 + c s 3 当满足l = 0 ，s = 0 时，p l ，p 2 ，甲3 有确定的解。 ：( l 2 s 3 - 二l 3 s 2 一， 办：( l 3 s 2 了- l - 2 s 3 ) m ， 办：( l i s 2 - = l 2 s i ) 0 ， 式中，g = ( 厶s ：一l 2 s ，) + 乜：马一l 3 s ：) + 0 ，s i 一厶马) 。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 对于密接三透镜复消色差系统，使解有意义，应要求点z 1 、z 2 、z 3 不在同 1 4 一条直线上。同时，为尽量减小三透镜光焦度，希望使三透镜的材料三角形面积尽 量大。 z ， 图3 8 复消色差三透镜的s l 图 图3 8 中，很显然存在s 1 l 1 s 2 l 2 s 3 l 3 ，三角形面积总大于零，所以有a o 、c o 。若总光焦度为正，则第二个透镜为正透镜，前后两个为负透镜。 3 4 4 s - l 图举例 这里，仅以薄透镜进行讨论。当考虑非薄透镜或双胶合、三胶合透镜作为透 镜元件，因其有一定的像差作为补偿，故对透镜的色差，二级光谱的校正要求更 为严格。故上述选择玻璃的原则仍然是行之有效的。 设计三块以上的薄透镜组，要求复消色差时，虽然满足前面所建立的复消色差 方程的光焦度解并不唯一，但加上其他像差方面的要求，可以限定解空间的自由度。 从而得到合适的光焦度的解。 四透镜组的复消色设计，图3 7 中两组双透镜z 3 、z 4 与z 5 、z 6 就是例 子。下面举例子加以说明。 所选四种玻璃与参数如表3 1 所示。 表3 - l 玻璃参数 z k 7 b a 壬8 t f 3 q k l 1 6 1 3 0 1 6 2 5 9 1 6 1 2 3 1 _ 4 7 0 4 6 0 6 3 9 1 4 4 n 8 6 6 8 3 o o l l 6 2 o 0 1 8 2 7 0 0 1 6 0 7 0 0 1 0 4 8 0 0 1 6 5 0 o 0 2 5 5 8 0 0 2 2 6 9 o 0 1 4 9 7 2 3 舵勰 僦| 室瑚 o 0 0 o 基手& l 田的玻璃选择法 图3 9 用s l 图进行四透镜复消色 四块玻璃都近似分布在一条过原点的直线上，可以看成是z k 7 、b a f 8 连线 和t f 3 、q k i 连线，向过原点的直线靠拢的结果。z k 7 、b a f 8 组成的双透镜与 t f 3 、q k l 组成的双透镜产生的二级光谱值都很小，而使整个系统的二级光谱值减 至最小。可见s l 法在四种透镜复消色的分析中是十分直观的。 3 5 用特殊玻璃消二级光谱 复消色物镜使用两种、三种或更多牌号的玻璃，其二级光谱曲线完全取决于 所使用玻璃品种、数目及其色散性。因此，玻璃选择是二级光谱校正的主要问题 【5 】忉【9 】【l i 】f 1 3 l 。 使用两种玻璃的任何薄透镜的二级光谱可表示为： = 寺妻掣饕i2一“ 一l 7 7 ( 3 8 ) 由上式可看到为减小二级光谱可通过使用比普通玻璃对的a p v 值更小的 玻璃对，即具有特殊色散的玻璃对。对于正组元，可使用的玻璃为低色散的冕牌 或是高折射率的重火石玻璃( 后两种用做消色差双胶合的负透镜) ，而许多晶体 玻璃如c a f 2 可以在任何组合中消除二级光谱。对于负组元，脆火石玻璃( k z f 、 k z s f 类的玻璃) 和镧玻璃是常用的。 1 6 一_ w 黼 图3 1 0 肖特玻璃的p - v 图 肖特玻璃的沙v 图，如图3 1 0 所示，图中标示了几种能够减少二级光谱的特 殊色散玻璃。每个点表示一种光学玻璃。连接任意两个玻璃的直线的斜率等于 。一p 。) n 一) ，此值决定了薄透镜的二级光谱量 常用玻璃表中的折射率值为五位有效数字，且每批次的玻璃还有差异，故校 正二级光谱校正必须用玻璃实测值。此外，不同光谱范围内的玻璃图形状和分布 也不同，校正二级光谱的三种波长的选择，对设计结果影响很大。如，对e 、c 光消色差( 0 5 n n o 7 u n ) 比起可见光f 、c 消色差，二级光谱要降低约i 2 i 3 倍( 与玻璃选择有关) 。 沿着“正常玻璃线”选择的任何玻璃对都具有相同的二级光谱值，近似等于 f f 2 0 7 0 或0 0 0 0 4 8 3 f o 而远离这条线的一些具有特殊部分色散的玻璃组成的双胶 合透镜则能减少二级光谱，且偏离。正常玻璃线”越远，v 数差值越大的玻璃， 它们单个的光焦度越小，剩余像差也越小。“特殊玻璃”被认为是与具有普通色 散分布的玻璃相比，它的相对部分色散( 一。一n f ) ( n ，一心) 是一样的，但其v 值较 之大。 在p v 图上，以直线连接两个玻璃点表示此直线上任意点的等效玻璃。这种 情况下，我们用三胶合就有可能使等效玻璃的部分色散值和第三种玻璃完全匹 配，使0 。一p 。) ( v 。一) 减小到零。使用普通玻璃的等效玻璃法最少用四种玻 璃校正二级光谱，而用特殊玻璃只需选三种玻璃使在p v 图上包围的面积较大， 如图3 1 1 示，这可使两种玻璃组合的焉与第三种玻璃的，相同时，组合的 i v 。，差值尽可能大，从而有效地降低单块透镜的光焦度。 设三透镜的三种玻璃为a 、b 、c 那么就有六种可能的组合：a b c 、a c b 、b c a 、 1 7 ，讹”推。；。；。；o： b a c 、c a b 和c b a 。一般先选择光焦度大的正组元( 低折射率，高v 值) ，其次是负 组元( 高折射率，中等v 值) ，最后是光焦度小的组元( 高折射率，低v 值) 。再 考虑胶合和空气隙作为变量可使三片式的设计有更大的余地。 文献给出了常用的一些复消色三胶合的玻璃组合： f k 6 一k z f s l - s f l 5 b k 7 k z f s l - b a f n l o p k 5 1 一l a f 2 1 一s f l5 p k 5 l l s f l 8 一s f 5 7 p s k 5 3 a k z f s l t i f 6 f 嚣 l ； v “面( n 两d - i ) 图3 11p - v 图上复消色三种玻璃的选择 本文采用p v 图解法，并兼顾其它方法的优点用以选择组成复消色物镜的特 种玻璃，并利用复消色差公式确定各个透镜的光焦度，借以保证对四种波长严格 地复消色差，同时还保证了物镜的各块透镜具有合理的光焦度值。 第四章准直物镜的光学设计 4 1 准直物镜技术参数的确定 准直物镜的主要技术参数有：工作波段( 0 4 8 舡m 0 8 6 3 # m ) 、线视场( 1 8 0 r a m ) 、通光孔径、视场、焦距、m t f 等。 ( 1 ) 准直物镜视场： 准直的物镜视场依据被试微光瞄准镜所需最大视场确定，并留有余地。按需 求准直的物镜全视场定为2 0 4 。 ( 2 ) 准直的物镜的通光口径： 目前生产的某微光瞄准镜系列，其最大通光口径为5 5 m m ，为确保物镜在 5 5 r a m 口径内有优良像质，故物镜通光口径选定为6 0 m m 。 ( 3 ) 准直物镜焦距： 在准直物镜的视场、有效通光口径均确定的情况下t 准直物镜焦距厂长短的 选定与传输光通量的多少、分辨率板刻线宽度、分划板线视场、像差的平衡、渐 晕、光照度的不均匀性、m t f 、准直轴间尺寸、积分球接口尺寸等多项因素有关。 在综合考虑上述各项影响因素的利弊关系，并结合技术要求与物镜的设计难易程 度、加工工艺水平等，最终确定准直物镜焦距为5 0 0 m m 。准直物镜焦面处选取 分辨率板号可检测分辨角为1 1 3 的被试微光瞄准镜。 ( 4 ) 准直物镜的m t f 指标： 准直物镜作为光应力源的重要组件，其物镜组的综合像质( 包括像差、制造 误差、调校误差等1 应是优良的，并与被试微光瞄准镜物镜的像差校正情况匹配。 原准直物镜的参数为f - 1 0 0 0 r a m ，2 a t - 1 0 0 ，选取的特征频率为1 8p l m m 。考虑 到某新型系统的检测需要，准直物镜焦距为5 0 0 m m , 所以它的特征频率加倍并留 有余量，最后定为4 0p l m m 。 4 2 准直物镜光学设计的重点 微光准直物镜用来模拟无限远微光目标与微光环境。为了配合新型号微光夜 视仪试验，要求微光准直物镜口径大于等于6 0 r a m ，焦距f ，5 0 0 m m ，视场2 0 。 该物镜属大视场、长焦距、宽谱r ( o 4 8 6 # m 0 8 6 舡m ) ，微光准直物镜对像质要 求很高且对全谱段进行复消色差，这也是此物镜的难点所在。 1 9 为了得到较高成像质量，要求准直物镜具有近似平像场、复消色的成像质量， 这给设计技术提出了很高的要求。物镜自身的一些特点也决定了它的结构要相对 复杂。如何满足上述要求成了物镜设计的关键，对此作些讨论。 ( 1 ) 复消色差 复消色差既要消除高斯区域内的二级光谱，同时也要消除高斯区域以外的色 球差。消除二级光谱的条件是各块玻璃的相对部分色散接近，而阿贝数又相差较 大( 消色差要求) ，这种光学玻璃选择的限制是校正二级光谱的困难所在。要校 正二级光谱必须采用具有特殊相对部分色散的光学材料。而这些材料的折射率和 色散均很小，使色散也不会很高，消色差时半径很小，对校正色球差和高级球差 是十分不利的，故只能用增加透镜组，降低偏角负担来解决，这是导致准直物镜 结构复杂的一个重要原因。 ( 2 ) 场曲的校正 校正场曲也是限制视场增大的主要因素。对于薄透镜系统，匹兹伐和场曲系 数可表示为p ；甲堕，可见场曲的大小仅由各透镜的光焦度决定，而与透镜的 一n ， 形状无关。为了消除场曲往往需要加入若干个厚弯月透镜和负透镜。这势必会使 物镜的结构复杂。特别应当指出的是，校正场曲与复消色差是相互矛盾的。在实 际校正过程中，为了校正场曲总是希望用高折射率的材料作正透镜，而复消色常 用的特殊材料其折射率一般都很小。同样负透镜的引入增加了正透镜的偏角负 担，对色球差和高级球差的校正也是不利的。总的来说，能将像面拉平的各项措 旄均对物镜校正复消色差不利。因此实现平场复消色差要比普通的复消色性能所 下的功夫要大得多。同时还应考虑到平场复消色差物镜还须同时校正像散和慧 差，故物镜结构往往十分复杂。 ( 3 ) 色球差的校正 色球差是指各色光的球差差别。实际上，在进行复消色时必须考虑到色球差 的校正。以使光学系统在整个光谱范围内匀有好的成像质量。由于色球差属于高 级色差，对其校正会增加设计的困难。 4 3 初始结构的确定 本系统的光谱较宽，属长焦距物镜，像差的突出矛盾是二级光谱。为了校正 二级光谱，通常采用具有特殊相对色散的玻璃或晶体对其复消色差。本系统采用 了特种玻璃t f 3 与校正二级光谱使用较多的l a k 2 玻璃进行配对方法。从初始结 构上确保对其校正的可能，同时也要兼顾其它像差的平衡。为了实现宽广谱、长 焦距，保证在2 0 。视场条件下取得较好的成像质量，初始选型为三片柯克式物 镜，采用正负正的结构形式。前组负担的光焦度大，产生的像差也较大，往往 需要后组加以补偿。为了避免后组半径的极度弯曲产生较大的高级像差，将后组 双胶合改为双分离，并增加一个交数，同时将分离的单透镜向靠近光阑的方向移 动，以利于改善垂轴像差和降低高级像差。最终的结构，选用非对称的h e l i a r 型物镜 2 1 1 4 1 。 4 3 1 玻璃的选择 对于一定焦距的相接触双薄透镜组，其二级光谱与系统的参数无关，完全由 两块玻璃的相对色散和阿贝常数差值比决定。 皈矿一去n 窆n - i 印譬2 ， l 一7，d1 、 校正二级光谱，应尽量选择p 值相差较小而v 值相差较大的两种玻璃。特种玻璃 t f 3 和校正二级光谱常用的l a k 2 ，在特征谱段其p 值分别为0 6 4 9 5 和0 6 4 4 7 ( 相 差较小) ，v 值相差7 个单位左右，较为符合校正原则，可以在一定程度上校正 该系统的二级光谱。 从p v 图可见普通玻璃几乎都位在正常玻璃直线上或其附近。c a f 2 离开正 常直线很远，如选择p 值相差较小的玻璃与之相配合，则校正二级光谱效果较好。 但自然界很难找到具有良好光学均匀性且口径较大的c a f 2 ，故不宣采用。但据 国内外相关资料可知，近年人造c a f 2 取得了一定的进展。如长春光机所已研制 出妒1 9 0 m m 的c a f 2 的玻璃可替代晶体，这点值得关注【1 5 1 1 1 6 1 。 所要设计的物镜谱段很宽( 4 8 6 n m 8 6 3 n