目录
1.设计指标要求
2.初始参数计算及分析
3.设计思路
4.设计结果及性能分析
5.可行性分析
设计指标要求
表1. 设计指标要求
序号 | 参数 | 规格要求 |
1 | 光谱范围 | 3μm－5μm |
2 | 视场 | 2W =6° |
3 | F_# | 1.65 |
4 | 后工作距 | ＞4mm（最后镜片后表面顶点至探测面窗口距离） |
5 | 对准物距 | 无穷远 |
6 | MTF 像质要求 | MTF@42lp/mm >0.3 |
7 | 无热化设计 | -40℃∼+60℃ |
8 | 透过率 | >70% |
9 | 冷光阑效率 | 100％ |
10 | 畸变 | <3% |
11 | 总长 | ＜180mm |
12 | 最大口径 | ＜110mm |
13 | 探测器 | 靶面阵列为1024×1024，像元大小为12μm，图中滤光片到探测面的距离为4mm |
14 | 镜片 | 镜片数不超过7片，允许使用1个衍射面，非球面数量不超过5个。 |
2.初始参数计算及分析
- 半像高h
h=(12×√(2×1024^2 ))/(2×1000)=8.689mm
可计算出半成像高h为8.689mm。
- 系统的焦距f
光学系统的半视场角w为3°，半像高h为8.689mm，根据焦距计算公式：f=h/tan w
可计算出焦距F为165.79mm。
- 系统入瞳的大小D
系统的F_#为1.65，光学系统的入瞳直径为焦距与数的比值，则系统的入瞳直径为：D=f/F_#
可以计算出系统的入瞳直径D=100.48mm。。
系统要求口径最大不超过110mm，因此采用二次成像系统，使系统的整体口径不至于太大。系统的波段为3μm ~5μm，如果要想实现消色差，可能需要衍射元件来实现。而且系统需要实现在-40℃∼+60℃无热化，因此需要对系统进行消色差和消热差两种设计。
二次成像系统的构型图如下图所示
二次成像系统由物镜组和中继镜组组成，其两者之间的近轴初级关系为
将公式代入可以计算出系统物镜组焦距为f_0为80.25mm，f_R为58.66mm，m为2.06。
物镜的设计：
首先设置好材料，选用常用的硅和锗材料，设置波段3~5um，入瞳直径为100mm，控制系统的焦距为80mm，做初始优化。
优化后的物镜的初始结构如下图，作为系统物镜组的初始结构。
目镜的设计
根据近轴关系计算，目镜m为2.06，可计算出中继镜组的物距为30.18mm，像距为62.18mm。系统口径设置为物方数值孔径，为了与物镜组相匹配，物方数值孔径为物镜组的像方数值孔径，为0.53，选取三片透镜作为优化，优化后的结果为。
优化后的初始结构如下图。
物镜目镜混合设计
将上述设计得到的的物镜组和中继镜组的初始结构进行组合设计。所得到的组合后的二维图如下：
将光阑放置在冷光阑位置，控制系统焦距，对镜片形状进行优化，逐步增加视场角，从而获取到一个视场角满足要求的光学系统初始结构，随后，我们通过增加非球面镜片，控制总长为180，进一步优化光学系统。优化后的光学系统结构图如下所示：
MTF如下图：
图13.系统MTF曲线图
然后再做无热化设计。设置三重组态，将材料设置为hammer，优化玻璃。最终的二维如下图所示。
20℃MTF
-40℃MTF
60℃MTF
畸变图
公众号“320科技工作室”
