机械设计专业 双波段共口径连续共变焦光学系统设计

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 3.8~3.9 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21.50068.4788121.425173.1618.054 倍中波红外21.50068.4778121.436173.1618.054 倍焦距差00.001-0.0110表 3.6 系统在 21.5mm、68.48mm、121.425mm、173.161mm 位置处各组元间距值及各组元光焦度光焦度(mm-1)短焦(mm)中焦(mm)次长焦(mm)长焦(mm)补偿组0.02218.72129.14636.85242.098变倍组-0.02779.56540.22123.60813.964前固定组0.00447.26376.38285.08989.488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 3.8~3.9 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： (3.15)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。， (3.16)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(3.1...