折反式大口径三组元红外变焦距系统设计

K)
β22 f′2 f′2 + β2 P (1 -
K) q1 .
(6)
较大 ,且需要一定的光学设计经验 。为此 ,我们利用 (2) 式和 (3) 式为运动光学元件 2 和 3 的运动曲
动态光学理论 ,采用解析法进行了新的设计 。 用动态光学理论分析可知 ,变焦光学系统实际
线的解析表达式 。给定 K ,便可求出 q2 和 q3 。
为了说明问题 ,将设计结果和参考文献[ 9 ]中提 供的四组元红外变焦距光学系统进行了比较 。
2 设计方法
2. 1 曲线拟合法 首先根据实际光学系统的性能指标 ,粗选一个
基本上能达到系统要求的变焦距光学系统模型 ,按 照单调性随机给出 4～15 个点 (移动组元的间隔) , 以保证像面稳定为边界条件 ,优化像质 。然后对这 些点进行曲线拟合 ,取曲线上各点间的中间点进行 光路计算 ,这些中间点像面可能不稳定 ,再利用光学 设计软件逐点进行优化 ,重新进行曲线拟合 。以此 类推 ,逐步进行下去 ,得出三个光学组件的运动轨 迹 ,从而得到凸轮曲线 。以上对每个位置进行优化 的过程充分发挥现有光学设计软件的强大功能 ,通 过编制一个小程序来完成 ,从而节省计算时间和劳 动强度 。在计算过程中 ,可能会由于理想值与初始 值之间偏离很大 ,导致计算的不收敛 ,从而使整个凸 轮曲线中出现断点 ,形成凸轮曲线的跳跃 、不连续 。 对于这种情况 ,是由于系统结构不合理造成的 ,予以 淘汰 。因此在设计过程中 ,要尽量选择比较好优化 的系统结构 。此方法与传统变焦距光学系统设计方 法的最大区别是 ,不需要光学设计人员经过复杂的 公式推导给出运动组元的凸轮曲线 ,而完全是通过 计算程序直接给出凸轮曲线 。
5 78 光 学 学 报 22 卷
2. 2 解析法
C = - f′3β3 PGq1 ,
(5)
曲线拟合法的缺点是三组元均为曲线运动 ,需 用三个凸轮曲线 ,加工难度大 ,成本高 ,计算量也比
G = K + (1 -
192. 815
226. 499
259. 045
262. 572
- 1250
- 1500
- 2000
- 2500
lf′
0. 568
0. 570
0. 570
0. 570
0. 570
0. 570
0. 570
图 3 为三运动光学元件的运动曲线 ,可见拟合得 点。
到的运动曲线是连续曲线 ,中间没有断点和明显的拐
系统。理论上 , 系数 K 取任意值均能保证像面的稳 定。本实例中 K = 1 可使第二运动组元的像差基本保 持不变 ,兼顾一、三运动组元的像差 ,取 K = 1. 06 。
表 2 为解析法设计的红外变焦距光学系统初始 位置 (短焦) 时的结构参数和由运动曲线解出的不同 焦距位置时光学间隔 d4 、d6 、d8 、d10 的值 。图 4 是焦距 f′分别为 - 7431551 mm、- 30091348 mm 时光学传递 函数曲线。图 5 为三运动光学元件的运动曲线。
图 1 为红外变焦距光学系统图 ,表 1 为曲线拟 合法设计的红外变焦距系统初始位置 (短焦) 时的结 构参数和由运动曲线解出的不同焦距位置时光学间 隔 d4 、d6 、d8 、d10的值 ,其中 f ′为系统焦距 , lf′为系 统后工作距离 。
图 2 给出焦距 f′分别为 - 750 mm 、- 3000 mm 时光学传递函数曲线 。
针对红外变焦距光学系统的特点和设计上的困 难 ,我们充分利用现有大型光学设计软件的多点优 化功能, 用曲线拟合法设计出中心波长 λ = 10. 6μm 、波长范围 8 μm～ 12 μm 、入瞳直径 D = 500 mm 、焦距为 f′= 750 mm～3000 mm (变倍比为 1∶4) 的三组元机械补偿式大孔径红外变焦光学系 统 。做到了变焦过程中像面完全稳定 ,且在各变焦 位置传递函数接近或达到衍射极限 ,并给出了三组 元的运动曲线 。为了克服曲线拟合法中三组元均为 曲线运动的不足之处 ,利用动态光学理论 ,用解析法
q23 = B q3 + C = 0 ,
ห้องสมุดไป่ตู้
(3)
式中
B = f′3 (β3 - 1/ β3) - PGq1 ,
(4)
3. 1 曲线拟合法 因为大曲率半径的样板较少 ,同时也从加工的
角度考虑 ,在设计开始就指令曼琴 ( Mangin) 镜的反 射面为平面镜 。从最后计算结果来看 ,通过此方法 得出的最终凸轮曲线是连续曲线 ,中间没有跳跃 ,完 全可以满足机械加工的要求 。
312 解析法 由参考文献[10 ,11 ]知 ,根据稳像方程 ,可解出多 个光学稳像系统 ,从中选取稳像效果好、结构简单的
Fig. 4 M TF curve of optical system obtained wit h analytic expression met hod when f′= - 743. 551 mm (a) and
3 中国科学院知识创新项目资助课题 。 E2mail :wangpeng @public. cc. jl. cn 收稿日期 :2001203209 ; 收到修改稿日期 :2001205214
设计出第一组元线性运动 ,第二 、三组元曲线运动的 红外变焦系统 ,其技术指标 、成像质量和用曲线拟合 法设计出的系统一样 ,并给出三组元的运动轨迹的 解析式和运动曲线 。
d6
371. 454
359. 186
340. 694
310. 807
287. 417
255. 118
234. 327
d8
21. 797
24. 083
27. 649
36. 790
48. 663
78. 247
115. 599
d10
58. 584
f′ - 750
98. 7152 140. 11
- 860
- 1000
王 鹏1) 赵文才1) 胡明勇2) 翁志成1)
1) , 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室 , 长春 130022 2) , 中国科学院安徽光学精密机械研究所 , 合肥 230021
摘要 : 分别论述了设计红外变焦距光学系统的曲线拟合法和解析法 ,并设计了大口径 、三组元 、机械补偿红外变 焦距系统 。系统的口径为 500 mm ,系统焦距为 750 mm～3000 mm 。从计算结果看 ,设计的变焦距光学系统像面稳 定 ,成像质量良好 ,接近或达到了衍射极限 。 关键词 : 光学设计 ; 变焦距光学系统 ; 红外 中图分类号 : TH74 文献标识码 : A
第
22 卷 第 5 2002 年 5 月
期
AC
光 TA
学 学 O P TICA
报 SIN
ICA
Vol. 22 May ,
,No. 5 2002
文章编号 : 025322239 (2002) 0520577205
折反式大口径三组元红外变焦距系统设计 3
Table 1. Parameter of infrared zoom system (in short focus length) calculated with polynomial curve fitting menthod
surfaces :18 ; stop :1 ;
entrance pupil diameter : 500 mm ; effective focal lengt h : - 750. 036 mm (in air) ; back focal lengt h : 0. 5682949 mm ; maximum field : 0. 5°; primary wave :10. 6μm ; wave lengt h : 12. 000000μm , 10. 600000μm , 8. 000000μm ;
10
72. 723 58. 584
STO
- 1750. 831
- 582. 7684
mirror
11
95. 426
26. 71
2
3726. 768
- 25
germlw
12
158. 0669
0. 991
3
0. 0
25
mirror
13
0. 0
1
4
3726. 768
709. 7827
14
0. 0
2. 75
- 3009. 348 mm (b)
鉴于红外光学系统的特殊性 ,光学系统中不宜 采用胶合透镜 ,所以此系统中采用了单透镜形式 。 从光能量透过角度 ,红外光学系统的光学元件越少 越好 ;从像差的角度 ,多运动组元变焦距光学系统要 比双组元变焦距光学校正像差容易 ,因此两种设计 方法中系统均采用三组元 、单透镜这种形式 。
5
- 1674. 615
26. 68
germlw
15
0. 0
20
6
- 456. 675
371. 454
16
0. 0
0. 3
7
204. 706
27. 5
germlw
17
0. 0
0. 57
8
385. 17
21. 797
IMA
0. 0
9
111. 064
25. 223
germlw
zoom data / mm d4 709. 783 679. 63 651. 161 621. 202 599. 034 569. 204 549. 117
index of refraction data : germlw 4. 00207300 , 4. 00268600 , 4. 00526000
surf