复消色差的短波红外望远物镜设计

摘要：分析计算了一些普通光学玻璃及晶体光学材料在0.9~2.5μm短波红外段的色散特性．在远距型的物镜结构后组中采用的厚弯月镜能产生一定量的反向色差补偿前组中的二级光谱，所设计的物镜在焦距800mm时的带孔径处最大色差0.13mm。结果表明，采用氟化物玻璃与重火石玻璃的三片式组合在短波红外段具有较好的消色差能力。

0 引言短波红外成像技术在夜视侦察与监视、遥感遥测系统、红外成像制导及光电对抗等领域有着重要的应用。透射式光学系统可以全部采用球面面形而具有加工工艺简单，装配调整容易和工程实现度高造价低廉的特点，从而使其有着广泛的应用，但透射式物镜在谱段较宽焦距较长时，二级光谱成为影响其像质的主要因素，因而必须对其加以校正以提高光学系统成像质量。

普通光学玻璃从0.4~2.0μm都有较好的透过率，一些重火石玻璃在2.0~2.5μｍ段也有相对较高的透过率，在0.9~2.5μｍ的短波红外的谱段区间，常规光学玻璃的色散有着特殊的变化，普通光学玻璃对的组合难以实现对色差的校正，因而在这一区间，应当选择具有高透过率，合适色散性能的光学材料以实现该谱段光学系统色差校正。
 

1.短波红外消色差材料的选择光学系统色差校正的重要手段之一就是利用光学材料的不同色散性能进行合理的光焦度分配，通常情况下，透射式光学系统由若干个正光焦度和负光焦度的镜片组成，在可见光波段进行色差校正时往往用色散小的冕牌玻璃作正透镜，色散大的火石玻璃作负透镜，但这两种类型的玻璃在短波红外波段其色散特性发生变化，采用这种方法不能有效地校正色差。表1计算并给出了 常用的几种光学玻璃（SHOTT）在可见光波段及短波红外波段的色散差别。

表1.几种冕牌玻璃和火石玻璃的色散特性 在可见光谱段，冕牌类玻璃具有较低的色散（υ值较大），火石类玻璃具有较高的色散（υ值较小），到短波红外波段冕牌类玻璃色散变大并接近火石类玻璃甚至高于火石类玻璃，同时在2~2.5μｍ 波段普通光学玻璃的透过率逐渐降低，也会使光学系统性能下降。 一些氟化物玻璃在短波红外段有较高的透过率，其色散特性不同于常用的光学玻璃，表2计算并给出了这些氟化物玻璃的一些光学特性，表中同时也列出了一些在短波红外段有较高光学性能的光学晶体材料的相关特性。对于ZnSe、ZnS而言，不同的工艺方式得到的材料在短波红外段的透过率会有很大的不同，使用时应当注意。

表2.一些氟化物玻璃的特性 （含其它光学材料）

氟化物玻璃从紫外到红外有着很宽的透过范围，值得注意的是在紫外可见段有较小色散的一些氟化物晶体到红外段色散变大，因而在近紫外段能校正色差的氟化物玻璃组合在短波红外段却不适用。CaF2、SrF2 和BaF2这三种氟化物玻璃具有较低的色散（色散系数υ值较大），可作为消色差时正透镜使用的材料，可作为负透镜使用的高色散材料（色散系数υ值较小）看上去有更多的选择：F-silica、AL2O3（Sapphire）、ZnSe和ZnS以及在红外段有较高透过率的SCHOTT光学玻璃PK52、SF4、SF6等。

2 设计实例目前常用的光学透镜设计方法是选用已有的光学透镜结构参量采用置换玻璃的方法直接优化，但在近紫外波段和短波红外波段，由于可选用的光学材料少这种直接换玻璃的方法并不十分有效，因而一个透镜的设计仍然需要从基本的结构型式出发分析系统的特点求解其结构参量。2.1光学系统结构及设计要点望远物镜一般具有较长的焦距，为了缩短物镜的尺寸，常采用远距型结构，这种物镜的一种基本结构形式如图１。前组具有正的光焦度，后组具有负的光焦度。

图1.远距型物镜的基本结构型式

图2.后组中采用背向光栏的厚透镜

图3.复杂化后的远距型物镜结构 ...... 3 小结及讨论 在短波红外0.9~2.5μm可用于校正色差的玻璃组合并不是很多，一些氟化物玻璃在该谱段具有较高的色散系数及相对较好的理化性能，因而是在该谱段消色差材料的首选。虽然低色散系数材料有更多的选择，但重火石类材料与氟化物玻璃组合有较好的消色差能力。 在远距型的物镜结构中前组采用光学玻璃SF6、CAF2和BAF2三片式组合，后组采用一带有厚弯月镜的两片式结构达到了复消色差的设计结果，所设计的望远物镜在焦距800ｍｍ，相对孔径1/5.6时带孔径的最大色差0.13ｍｍ，视场角10°时的像质接近衍射极限，成像质量优良。  

审核编辑 ：李倩