摘要：在大截面传像束前置光学物镜设计中，采用“负-正”型式的像方远心光路结构，很好地解决了镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题，同时使镜头结构紧凑、小型化。给出了前置物镜设计实例：工作波长 0.8~1.1μm，焦距 5mm，相对孔径为 1:3.84，光学长度为 47mm，视场角为 60°。在光学耦接镜设计中采用物方远心光路结构，引入二元光学透镜，通过理论计算和 ZEMAX光学软件优化，给出工作波长 0.8~1.1μm，焦距 33.6mm，光学长度为 63.5mm，采用一个衍射面的耦接镜设计实例。该设计结果适用于单丝直径 16μm，截面直径6mm 的光纤传像束。
引 言
光纤传像束(简称传像束) 与传统的光学成像器件相比具有传像特性优良、使用空间自由度大、重量轻等优点，并且易实现复杂空间结构的图像传递，还能在强电磁干扰、高温有腐蚀的场合工作。由于其特有的不可替代的特性，被广泛应用于医学、工业、科研、军事等众多领域[1-3]。传像束两端面的光纤呈一一对应的排列，因此出射图像和入射图像基本一致，出射图像通过目镜(耦接镜) 供人眼直接观察或者耦接CCD 监视[2, 3]。典型的传像束光学系统主要由前置物镜、传像束、目镜(耦接镜) 等组成。随着 CCD 成像技术和大截面光纤传像束技术的发展，对传像束光学系统的成像质量、传光特性和体积重量提出了更高的要求，传统的设计已经不能满足要求，必须对光学系统进行优化设计[2, 4]。
1 前置物镜设计
1.1 设计原理
传像束实际上是利用单根光纤的传光来达到其传像目的。因此，在传像束前置光学物镜设计时，一定要满足光纤的全反射条件。在设计时，仅仅使前置光学系统的像方数值孔径与传像束的物方数值孔径相匹配是不够的。因为轴上物点的成像光束关于光轴对称，能全部进入传像束。而轴外物点成像光束关于主光线对称，其一部分上光线或一部分下光线的入射角将会超过传像束的数值孔径角，导致被拦光。为了保证轴上物点和轴外物点的全部成像光束都能进入传像束中传播，应将前置光学物镜设计成像方远心光路[5]。
将孔径光阑置于光学系统的前焦点处，如图1 所示，可以实现光学系统的像方远心光路。但是，在宽视场的条件下，将孔径光阑置于光学系统的前焦点处，将造成光学系统的横向尺寸过大，随之质量也过大。因此，我们采用将孔径光阑置于光学系统中间，光学系统的前组为负光焦度，孔径光阑处于光学系统后组的前焦点处的结构形式，可以保证光学系统具有比较小的体积和重量，如图2 所示。如果光学系统的前组为正光焦度，难以形成宽视场光学系统。
为了保证传像束光学系统最终的成像质量，前置光学物镜的极限空间分辨率应该大于传像束的极限分辨率。在对前置光学物镜设计时，轴外像差校正一般比较困难，如果像差平衡得不好，特别是像面场曲校正得不好，就会出现轴外像面模糊，甚至因光纤的弥散性而使得轴外像面的轻度失真。为了提高成像质量，同时使系统的体积和重量得到控制，可以适当地引入非球面，尤其是高次非球面[6]。
1.2 设计实例
我们需要设计的传像束光学系统，工作波长为 0.8~1.1μm，2ω=60°。CCD 探测器有效光敏面尺寸为4.9mm×3.6mm (对角线 6mm)，像元尺寸 6.50μm×6.25μm。为了提高成像质量，采用大截面光纤传像束，单丝直径 16μm，截面直径 Ф6mm。选择两组结构简单，光焦度分配为“负-正”形式的透镜组作为前置光学物镜初始结构，满足像方远心要求。通过计算和 ZEMAX 光学设计软件的优化，得到如图3 所示，由 7块镜片组成的前置光学物镜，该物镜焦距 5mm，入瞳口径 1.3mm，视场角为 60°。大截面光纤传像束单丝直径16μm，采用六角形序排列，根据奈奎斯特定理，其极限分辨率为34lp/mm。而前置光学物镜在 34lp/mm空间频率处各个视场的 MTF 值均大于 0.81，表明其像质优良。图4 是物镜的传递函数曲线。该前置物镜具有比较小的体积和重量。
2 折衍混合耦接镜设计
2.1 设计原理
为了保证光束衔接的匹配，耦接器也应设计成物方远心光路。根据使用要求，传像束出射图像与 CCD光敏面之间一般要求接近 1:1 耦合，因此耦接 CCD 的光学系统一般采用双高斯结构，图 5 是一种典型的采用物方远心设计的双高斯光学耦接系统。自二十世纪 80 年代美国麻省理工学院林肯实验室提出二元光学的概念后[7]，衍射光学在国际上得到迅速发展。在成像系统中，衍射光学元件与传统的折射、反射元件混合使用，综合平衡，给系统的设计引入了新的自由度，为提高系统性能、简化系统结构、减轻系统重量提供了新的可能性[8, 9]。考虑到国内衍射透镜加工工艺条件，因此设计带有衍射面单透镜来代替双胶合透镜，构成折衍混合耦接镜系统。单透镜选择平凸基底结构形式，以使得初始的基底像差最小[10]。通常，设旋转对称二元光学衍射面的相位函数为
2.2 设计实例
我们需要设计的系统，焦距 33.6mm，视场(物高)为 6mm。首先，将图5 中的双胶合透镜由一个折-衍单透镜代替。设计折衍混合透镜时，只选一个面为衍射面，可以使系统具有较高的光能利用率，且杂散光较少，对于克服“鬼像”和提高像质十分有利。根据2.1 节讨论的设计方法，可以确定衍射面的A1、A2，得到折衍单透镜的初始结构形式。采用ZEMAX 光学设计软件进行优化，得到了最终的设计结果，具体的参数见表1。图6 是折-衍混合系统的结构示意图，光阑后第一个透镜的后表面是衍射光学面。折-衍混合耦接系统中，衍射面的基底为平面，实际半径为 2.56mm，最终优化得到衍射面的 A1和A2分别为-119.599005 和 72.966425;当刻蚀台阶数为 8，对应最小特征尺寸为28.2μm，现有的制作工艺可以制作这个衍射面。由于衍射光学面优良的像差平衡能力，其它光学镜片的体积大大减少，最终得到的折-衍混合耦接系统，与传统的双高斯耦接光学系统比较，在长度和外径基本不变情况下，重量减轻了 55%，如表2所示。成像质量得到了很大程度的改善，如表3 所示。
结束语
为了使前置物镜结构紧凑，小型化，并且保证一定的成像质量，不能采用传统的像方远心光路设计，必须采用负光焦度透镜在前，孔径光阑在光学系统中间，并且位于后组透镜的前焦点处的结构形式。对于物方远心光路结构的耦接镜，可以利用衍射元件的负色散和可对波面进行任意整形的特点，引入衍射面，设计折衍混合光学系统，提高成像质量。通过对设计实例的分析，该设计思路是可行的。
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作者简介：李东源(1971-)，男(汉族)，辽宁人，博士生，高级工程师，主要从事光电探测系统、光学设计的研究工作。E-mail: ldy710527@sina.com
