大直径折叠三分量连续变焦光学系统设计

第44卷第10期第44卷第10期红外与激光工程2015年10月2015年10月大直径折叠三元连续变焦光学系统的设计李洪壮，赵永志，马新学，于书海，尹立美（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033）摘要: 采用了一种新的结构形式，直径为1.2 m，焦距为2-6 m，并且相对孔径为1 / 1.67-1 / 5可见/近红外波段连续变焦望远镜. 为了满足目前地面望远镜整体结构的需要，前端主系统采用卡塞格伦反射结构，后端采用三分量机械补偿变倍形式，使结构更简单，更紧凑. 清洁器. 基于高斯光学计算和像差分析，选择每个组件的初始结构，并进行整体优化. 设计结果的性能结果符合要求，紧凑的结构和平滑的补偿曲线表明，该结构是连续变焦望远镜的良好光学解决方案. 关键字: 折返；连续变焦；光学设计CLC编号: TH751文档代码: A物品编号: 1007-2276（2015）10-3037-06大孔径折反射三组连续变焦光学系统的设计李洪壮，赵永志，马新学，于书海，尹立美（长春学院中国科学院光学精密机械与物理研究所，长春130033）摘要: 采用新结构设计了直径1.2 m，焦距2 -6 m，1/2的可见光和近红外望远镜. 相对光圈为1.67 -1/5. 为了满足现代地基大型望远镜的要求，前主系统采用卡塞格林反射形式. 背部采用三组机械补偿变焦折射系统，使结构更加简单紧凑. 基于高斯光学计算和像差分析，确定每组的初始形式，然后对整个系统进行优化. 设计结果表明，所有光学指标均满足系统要求，结构紧凑，补偿曲线平滑. 该设计表明，该形式是连续变焦望远镜的有效光学结构. 关键字: 卡地那非；连续变焦系统；光学设计收到日期: 2015-02-05；修订: 2015-03-15作者简介: 李洪壮（1980-），男，副研究员，博士，主要从事光学设计，红外系统有源光学研究.

电子邮件: longquanwanfa@163.com3038红外与激光工程第44卷0引言望远镜具有集光能力强，分辨率高，焦距长的特点，可以观察和记录远距离目标，因此它是在地面上观察到的，广泛用于测量系统中. 地面上传统的望远镜的变焦模式大多为切换式，无法完成视野和分辨率的连续变化，切换过程中容易丢失目标. 如果望远镜具有连续变倍的能力，则可以考虑连续变倍系统的优点，并根据不同的目标和环境获得最佳的观察效果，​​观察效率可以提高. 得到显着改善[1]. 在当前报道的折反射变焦系统中，一些前端使用牛顿望远镜的物镜，这不能满足现代地面观测望远镜的结构要求. 在变焦过程中，由于系统的透明光圈的变化，系统的透明光圈减小了，从而无法充分利用望远镜镜的聚光能力和分辨率优势；一些后端变焦倍率补偿组使用四分量形式，这使系统结构复杂，增加了体积并增加了实现难度. 本文采用一种新的结构设计连续可变焦距望远镜. 为了满足基础上当前望远镜整体结构的需要，前端主系统采用卡塞格伦反射结构，后端采用三分量机械补偿变焦系统，使结构更简单而且更紧凑.

使用该结构，设计了直径为1.2 m，焦距为2至6 m，相对光圈为1 / 1.67至1/5的可见/近红外连续变焦光学系统. 1设计指标要求根据系统的整体性能要求，望远镜应具有进行目标搜索和详细观察记录的功能. 为了充分利用望远镜主镜的光圈，确保光收集能力和空间分辨率，系统要求所有焦距位置都进行完整的光圈成像. 因此，光学设计指标的要求如表1所示. 表1光学系统的参数参数焦距/ mmD / f视场/（°）波长/ nm背面工作距离/ mm像素尺寸/μm像素数值2 000-6 000 1 / 1.67-1 / 5 0.335°-0.114°500-800> 5010×10 1024×10242设计过程和结果2.1带有前端反射系统的望远镜的光路主要包括格里高里，卡塞格林（Cassegrain），牛顿，施密特（Schmidt），马克苏托夫（Maksutov）等[2-3]，由于卡塞格林（Cassegrain）结构紧凑且中心块很小. 它是现代地面大型望远镜最常用的形式.

因此，系统的整体结构在前面使用了主要的Cassegrain系统，在后面使用了连续连续变焦系统，以实现望远镜的连续变焦功能. 该系统使用二次成像来促进其他焦点的应用. 同时，可以通过在第一像面上安装视场光阑来抑制杂散光. 由于前端主系统是反射型的，因此不会发生色差，从而降低了后端折射系统的色差和二次压力校正压力[4-5]. 在设计中，根据结构尺寸，遮挡率，加工难度以及其他焦点位置的应用要求，Cassegrain主系统的焦距为f0 = 15000 mm，其中主镜为抛物面镜，副镜是一个双曲面镜，中心线阻挡为0.2，主镜和副镜间距为1 450 mm. 其结构如图1所示. 第一个像平面通过两个平面反射镜引导到Bent Cassegrain焦点位置，并且可以通过旋转将其切换到其他焦点位置. 主系统的图像质量如图2所示. 在0.05°视场范围内，图像质量达到衍射极限，这方便了其他焦点的应用并且易于调整.

图1初级光学系统图1初级光学系统图2第一个像平面传递函数图2第10号第一个像平面的MTF李洪壮等: 大孔径折返三分量连续变焦光学系统设计30392.2折射​​变焦系统根据图像补偿方法，变焦系统分为光学补偿和机械补偿两种类型. 光学补偿方法不能满足需要，因为不能完全补偿像面. 机械补偿方法包括两组，三组，四组甚至五组. 其中，三组式可在变焦比小于5的要求下使结构更简单，更紧凑，相对孔径和视场角适中. 由于系统需要连续改变焦距，因此需要使用机械补偿. 为了使结构简单而紧凑，使用具有正补偿的三组结构. 固定组放置在前面，以为变焦和补偿组提供稳定的物体表面. 变焦核心使用负屈光度变焦组和正屈光度补偿组. 缩放组用于实现系统放大倍率的连续变化，而补偿组则用于补偿图像平面偏移. 从物体图像的恒定共轭距离，可以解决变倍补偿曲线[6-7]. 为了合理地连接主系统和变焦系统，在第一个像平面之后添加了一个物镜，以使光束准直并控制离轴视场的高度，以减小后面的组件的尺寸. 通过物镜对光束进行准直后，可以根据三组连续变焦系统设计后端，该系统具有一定的光圈，焦距和视角.

在变倍系统的设计中，根据系统的总长度，像差校正的难度和补偿曲线的合理性来选择高斯光学参数. 由于系统缩放比例不大，因此选择了不改变根的高斯解. 经过反复计算，变焦组的放大倍率为-0.31〜-0.244，补偿组的放大倍率为-0.9〜-0.38；物镜的焦距为390mm，前固定组的焦距为465mm，变焦组的焦距为-90mm，补偿组的焦距为75mm. 变焦组引线80毫米，补偿量38毫米. 该系统的高斯光学结构如图3所示. 2副镜;三三镜； 4个四镜; 5优先影像平面； 6场镜头； 7前固定组； 8-变焦组； 9-补偿组； 10图像平面. 变焦补偿曲线如图4所示，变焦过程中系统焦距变化曲线如图5所示. 可以看出，该补偿曲线平滑，易于实现，并且焦距变化合理. 高斯光学计算完成后，将执行每个组件的初始结构设计. 物镜的功能主要是使光束准直并控制离轴光的高度. 由于物镜上同轴光的高度较低，因此它对球面像差的影响很小，并且物镜的孔径相对较大，约为125 mm，因此使用单个透镜并向第一个图像平面.

用高斯计算，光束是通过物镜后的平行光，变倍系统的焦距为50-150 mm，光圈为30 mm，视场角为4.4°〜12.8° . 可以看出，由于物镜对离轴光的压缩，变倍系统的视场不大，但系统短焦端的相对光圈较大，因此设计应着重于校正短焦点位置轴上的像差[8-10]. 前固定组用于为缩放和补偿组提供稳定的物体表面. 前固定组上短焦端的离轴光的高度较高，但是由于其焦距较长，因此假设相对光圈不大，因此可以使用. 双胶合透镜，并且由于前固定组产生的二次光谱对系统影响更大，其负分量使用特殊的色散材料TF3. 在每个焦距位置的轴上，变倍组不高，并且离轴光的高度高. 因此，使用胶合透镜来减少胶合表面（a）系统的近轴光学结构（a）系统的近轴光学结构（b）折射变焦系统近轴光学结构（b）折射变焦系统的近轴光学结构3高斯光学3高斯光学4补偿曲线图4补偿曲线3040红外和激光工程体积44图5系统焦距变化曲线图5焦距高阶球差和正弦像差在长度变化曲线上，选择两侧折射率差异和色散系数差异较大的材料，以增加粘结表面的半径.

因为系统的短焦端具有较大的相对孔径，并且补偿组位于光路的后部，所以同轴光的高度较高. 同时，补偿组的焦距短，相对光圈大，因此是一个复杂的设计目标. 差异校正非常重要. 最终的补偿组结构设计为3个单透镜和1个双胶合透镜，并且通过厚弯月形透镜校正像场弯曲. 另外，为了校正二次光谱，使用了特殊的分散玻璃FK51. 如图6所示，除了系统中的两个特殊组件TF3和FK51外，系统的其余部分使用国产的普通玻璃，包括ZK7，QK3，LAF3，ZBAF3，ZF52和LAF7. 图7折射变焦系统的光路图7折射变焦系统的8系统的整体8系统的整体结构焦点末端边缘的相对视场照度为84％ 每个焦距位置在轴上为50 lp / mm变焦距光学系统设计，视场MTF> 0.5，边缘视场MTF> 0.3，具有良好的成像质量，各种性能指标均符合要求. 由于系统的焦距是在全光圈下使用的，因此当焦距从2变为6 m时，相对光圈将从1 / 1.67变为1/53倍. 由于图像表面的照度与相对孔径成正比，因此在变焦过程中图像表面的照度将变化9倍，因此系统需要具有光学或电子调光功能.

（a）物镜（a）物镜（b）正面固定组（c）变焦组（d）补偿组（b）正面固定（c）变焦组（d）补偿组组图6每个组的结构在选择了每个组件的初始结构之后，将由高斯计算的间隔进行组合以进行整体优化. 在优化过程中，控制每个组件的焦距和主表面间隔，并限制系统的总长度. 最终的光学结构如图7和8所示. 系统从第一像面到相机目标表面的总长度为970 mm，最短的工作距离（在短焦距下）为53 mm. 系统像差曲线和传递函数如图9、10和11所示. 由于短焦端的视场最大，因此短焦端边缘的视场畸变也最大，为3.6％. 望远端的视场的相对照度较高，周期较短10李宏壮等: 大光圈三分量连续变焦光学系统设计3041图9每个焦点位置的像差曲线图9每个变焦位置的像差曲线通过对系统公差的分析，可以得出结论，对于前端反射系统，除了对镜面形状精度的要求更高之外，主镜和副镜之间的相对倾斜要求是也很严格，应该达到10英寸；对于后端折射系统，由于系统色带较宽且相对孔径较大，因此材料的折射率精度较高. 您可以使用实际的测量方法来放宽对材料的要求.

3结论本文采用一种新结构设计了一种用于孔径为1.2 m，焦距为2-6 m的可见/近红外望远镜的连续变焦望远镜. 前端使用的Cassegrain反射主系统更符合地面上望远镜当前整体结构的需求. 后端使用三分量机械补偿变焦系统，使结构更简单，更紧凑. 设计结果表明，该系统结构尺寸合理，成像性能优良，各项指标均满足要求，表明该结构是连续变焦望远镜的良好光学解决方案. 参考: 图10每个缩放位置的MTF曲线图10每个缩放位置的MTF曲线图11 f2000的相对照明曲线[1]陶春侃. 变焦镜头设计[M]. 北京: 国防工业出版社，1988: 153-163. 陶春侃. 变焦光学系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社，1988: 153-163. [2]王鹏，赵文才变焦距光学系统设计，胡明勇，等. 反折三组元红外变焦系统设计[J]. 光学学报，2002，22（5）: 577-581. 王鹏，赵文才，胡明勇等. 倒置大孔径三分量红外变焦系统设计[J]. 光学学报，2002，22（5）: 577-581. [3]徐伟才，黄伟. 折反射变焦镜头的创新镜头设计[J]. 光学学报，2011，31（6）: 06220051-5. 徐伟才，黄伟. 一种新型折反射连续变焦系统的设计[J]. 光学学报，2011，31（6）: 0622005-1 -5. [4]崔继成. 大光圈折光变焦镜头的设计[J]. 光学工程，2008，16（11）: 2087-2091. 崔成义. 大孔径折射率变焦镜头的设计[J]. 光学精密工程，2008，16（11）: 2087-2091. [5]江Kai，周思中，段静，等. 非制冷红外探测器的折反射中红外连续变焦镜头的设计[C] // SPIE. [6]李洪壮，张振铎，曹景泰，等，2011，8193: 8193. 长焦距和超高变焦比的变焦光学系统Design3042红外与激光工程第44卷[J]. 光子学报，2012，41（3）: 358-363. 李洪壮，张振铎，曹景泰等. 长焦距超高倍变焦光学系统设计[J]. 光子学报，2012，41（3）: 358-363. [7]李洪壮，张振铎. 20×双联动连续变焦光学系统设计[J]. 光学学报，2015，35（2）: 0222003.李洪壮，张振铎. 20x双组联动变焦灯系统设计[J]. 光学学报，2015，35（2）: 0222003. [8]胡继贤. 长焦距光学变焦系统设计[J]. 应用光学学报，2007，28（5）: 569-572. 胡继贤. 长焦距连续变焦光学系统设计[J]. 应用光学，2007，28（5）: 569-572. [9]冯秀恒. 长焦距大变焦比变焦的小型化[J]. 光力学，1992（5）: 12-16. 冯秀恒. 长焦距大倍率变焦镜头的小型化[J]. 光学机械，1992（5）: 12-16. [10]张立勤，王永田，李琳. 确定具有多个移动镜头组的变焦系统的高斯参数的方法[J]. 光学学报，2002，22（5）: 572 -576. 张立勤，王永田，李琳. 多分量全动变焦镜头高斯光学参数求解方法[J]. 光学学报，2002，22（5）: 572-576. [11]李洪壮，赵永志，王国强，等. 相对孔径大，焦距长的折射光学系统设计[J]. 红外与激光工程，2014，43（9）: 2954-2958. 李洪壮，赵永志，王国强等. 大相对孔径长的相对焦距折射光学系统设计[J]. 红外与激光工程，2014，43（9）: 2954-2958.

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